水下吹除排污过程气体射流噪声数值模拟

蔡标华，肖龙洲，方超，秦子明，石兆存

武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430205

0 引 言

舰船或水下航行体在航行过程中，生活污水储存于空间受限的贮容器中，需要定期通过高压气体将污水吹除至海中。在吹除排污过程中，气体若喷射入海，会产生很大的射流辐射噪声。水下排气形成的噪声强度量级通常较高，这种噪声可能会暴露航行体目标，干扰声呐工作，并对水下环境造成污染［1-2］。

舰船污水储存系统由高压空气排气系统、贮容器、通海管路等组成。贮容器内的高压空气、污混合流体的吹除排污过程可分为3 个阶段：1）贮容器均压阶段，根据海水压力，向贮容器内注入高压空气，使贮容器内压力高于舷外背压，形成气动压差；2）污物排出阶段，通过压缩空气将气—水混合流体排除至舷外；3）气流喷射阶段，高压空气直接向舷外排放，产生射流噪声。

目前，国内外学者针对气体射流数值模拟的研究较多。Wang 等［3］和Zhao 等［4］通过大涡模拟（LES）方法模拟了高雷诺数下的低频和部分高频噪声。郝宗睿等［5-6］研究了喷管直径对噪声的影响，认为小口径更有利于降低排气噪声。Stanley等［7］计算了剪切层的形成和发展过程，得出射流结构中的大尺度涡是各向异性的。Andersson 等［8］采用数值计算方法研究了高马赫数气体的射流噪声与喷嘴的关系。Choi 等［9］和Brennen［10］针对水下单个气泡或气泡流的声学特性开展了实验测试，分析了水下排气噪声产生的机理和影响因素。何爱妮等［11］采用不同结构的配汽管，在不同的水温和蒸汽流量下进行了实验研究，表明蒸汽流量与噪声源量级并不完全呈线性关系。邢军华等［12］研究了轴对称直喷管的液体水下射流特性，表明射流噪声辐射功率与流速的8 次方成正比，辐射噪声能量主要集中在低频段，随着流速的增加，射流噪声向高频段移动。目前，针对气体射流噪声的研究较成熟，但多以空气中的高速射流为研究对象，而对水下射流辐射噪声的研究多以实验测试为主，针对射流状态下的流场与声场联合计算模拟的研究相对较少。为研究在水下不同背压下进行吹除排污过程中大管径气体喷射的气—水混合流体射流流场特征和辐射噪声特性，本文拟结合大涡模拟和FW-H 方法，对排污过程中大管径气体射流流场和辐射噪声进行数值模拟研究。

1 数值计算

1.1 计算模型

数值模拟借助FLUENT 软件，采用大涡模拟计算水下吹除排污过程中气体射流流场，并在流场基础上采用FW-H 方程计算辐射噪声。

贮容器及管路计算三维模型网格划分如图1所示，喷管直径为50 mm，长度为250 mm；流场域直径为3 000 mm，长度为2 000 mm。排污通海口海域计算网格如图2 所示，对网格进行结构化划分。网格模型参数为：网格数量1.05×106，最小矩阵划分0.691，最大纵横比105，最小网格角度40.77°。

图1 贮容器计算网格划分Fig.1 Mesh division for calculating the blowing tank

图2 排污通海口海域计算网格划分Fig.2 Mesh division around the outlet of the blowing tank

上述网格划分方案综合考虑了计算成本以及计算精度。若采用密网格，即将网格数量增大1.5倍，计算所得声压级与原网格量的计算声压级误差约为5%；若采用疏网格，即将网格数量减少1/3，计算所得声压级与原网格量计算的声压级误差约为8%。

1.2 计算方法和边界设置

设置喷管进口为压力进口，喷管平行线位置的压力为背压，模型外表面为压力出口。为进行声模拟，内层设置FW-H 声积分面，如图3 所示（图3 中UDF 为用户定义函数）。为模拟在海水中不同深度下吹除排污辐射噪声的区别，设置吹除背 压Pb为 一 系 列 梯 度 压 力0.5，1.0，1.5，2.0 和2.5 MPa；为研究吹除压差ΔP（吹除压力与吹除背压的差值）对辐射噪声的影响，在每一个吹除背压Pb下，设置吹除压差ΔP=0.1，0.2，0.3 MPa。

图3 海域模型边界设置示意图Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions for ocean model

2 数值计算结果分析

2.1 流场特性

水下气体射流过程是非稳态过程，在喷口附近，气—水边界和流场结构随着时间和空间的变化而改变。气泡形成过程可分为沿径向生长和沿射流方向生长2 个阶段。当发展到一定阶段时，气泡前端向后翻卷［5］，这与Surin 等［13］利用高速摄像机拍摄到的水下气体喷射初期气泡形状的发展趋势一致（图4），验证了本文数值模拟的可行性。

图4 气相流场结构［13］Fig.4 Flow field structure of the gas phase［13］

图5 为水下吹除过程中贮容器内部流场变化过程。图6 为吹除背压1.0 MPa 时不同吹除压差下的气体射流流场（图中蓝色为水相，红色为气相）。由图可见，射流整个发展过程很迅速，且随着吹除压差的增大，射流过程中气泡各阶段发展所需时间更短，射流态的气—水混合流体压力脉动幅度更大，流场中形成的气泡群更大。

图5 贮容器吹除过程流场Fig.5 Flow field of the blowing process for blowing tank

2.2 辐射噪声特性

当海域吹除背压Pb分别为0.5，1.0，1.5，2.0 和2.5 MPa 时，在直接排气状态下，吹除压差ΔP 分别为0.1，0.2 和0.3 MPa，得到不同背压下声源辐射噪声声压级（SPL）随压差的变化情况，结果如图7所示。由图可见，在相同吹除压差下，不同吹除背压时的SPL 基本相同，可见SPL 主要随着吹除压差的增大而增大，基本不受吹除背压的影响。

图6 Pb=1.0 MPa 时不同吹除压差下的气体射流流场Fig.6 Flow field of air jet under different blowing pressure difference（Pb=1.0 MPa）

图7 不同背压下声源辐射噪声声压级随吹除压差的变化Fig.7 Sound pressure level of radiated noise versus ΔP under different back pressure

在海域吹除背压为1.0 MPa，吹除压力P 分别为2.5 和3.0 MPa 时，稳态排水和稳态排气过程中辐射噪声的仿真数据如表1 所示。从表中可以看出，贮容器内水排空后，将形成高压气体直接喷射进海域的淹没射流状态，水下辐射噪声会产生“拐点”，其量级显著上升。在相同工况条件下，辐射噪声量级增加15 dB 以上。

表1 Pb=1.0 MPa 时排水与排气辐射噪声比较Table 1 Comparison of the radiated noise between water emission and air emission（Pb=1.0 MPa）

针对水下射流排气过程，以吹除背压Pb为1.0 MPa，吹除压力P 分别为1.1，1.2 和1.3 MPa 为例，对其辐射噪声结果进行频谱分析，辐射噪声频谱与时频谱如图8 所示。由图可见，不同工况下的辐射噪声频谱表现为宽频带、低频的特点，频率以1.5 kHz 以内的低频成分为主，且在0～0.4 kHz范围内以及1.0 kHz 频率处有明显峰值。综合已有文献成果［5，13］及前文对辐射噪声的理论分析得出，0～0.4 kHz 低频部分的高峰值频段的噪声主要由气泡在管口脱落导致。在1.0 kHz 频率处的噪声源声压级峰值主要为气泡在流场力作用下由气泡体积振动及气泡之间的相互作用导致［14］。

3 实验结果及分析

为了验证水下吹除排污时气体射流吹除过程中的流场变化特性和辐射噪声特性，建立了水下吹除气—水系统，并放入水池进行吹除实验。在压缩空气水下气—水吹除实验过程中，采用高速摄像机拍摄气—水混合流场的变化情况（图9），通过水听器监测吹除过程中的辐射噪声总级随时间的变化情况（图10）。

图8 辐射噪声频谱与时频谱Fig.8 Frequency spectrum and time-frequency spectrum of the radiated noise

图9 水下吹除气体射流流场形态Fig.9 The shape of air jet flow field during water blowing period

图9 实验结果表明，在水下气—水吹除过程中，贮容器排水时间较短，系统开始供气10 s 后，即有压缩空气喷射进入外部流场，气—水混合射流流体的压力脉动幅值比较大，且逐步形成较大的气泡群。图9 所示实验拍摄的气体射流流场形态变化过程与图6 的仿真结果基本一致。

图10 为水听器的全过程监测结果。实验表明，水从贮容器流出的过程结束后，压缩空气直接进入外部水池流场，形成气—水混合喷射状态，此时，辐射噪声显著升高，出现“拐点”现象，这与仿真模拟的结论相同。然而，表2 辐射噪声量级的测试数据与表1 的仿真数值存在5～9 dB 的差异，这可能与2 个原因相关：1）实验中水听器辐射噪声的测量频率范围（20 Hz～40 kHz）小于辐射噪声仿真的频率范围（10 Hz～50 kHz），导致实验的辐射噪声总级小于仿真数据；2）实验所测的系统吹除压力为系统管路前端压力，而仿真选取的压力为喷射吹除管段末端的压力，因吹除仿真计算压力高于实验压力，导致仿真所得的辐射噪声量级较高。

表2 水池实验辐射噪声测试数据Table 2 Test data of radiated noise in pool experiment

实验结果表明，本文采用的数值模拟计算方法，适用于水下气体喷射过程的流场动态模拟，并可通过仿真计算表征水下吹除排污过程的辐射噪声变化规律。

4 结 论

1）建立了舰船或水下航行体贮容器排污过程的流场仿真模型，模拟了压缩空气的水下排污射流过程，分析了贮容器内及排污口附近的流场变化，为表征水下气—水混合射流流场压力变化提供了直观结果。射流辐射噪声呈现宽频带、低频特征。

2）在吹除背压和吹除压差变化条件下，对贮容器管口淹没射流状态的辐射噪声量级进行数值模拟，结果表明水下气体射流辐射噪声大小主要受吹除压差的影响。吹除背压相同时，吹除压差增大，辐射噪声显著增大。而吹除背压对水下射流辐射噪声的影响很小。在吹除压差相同的条件下，背压增大，辐射噪声的增幅较小。

3）数值模拟与实验结果均表明，水下排污过程中，排气压差越大，辐射噪声量级越高。贮容器内水排空后，将形成高压气体直接喷射进海域形成淹没射流状态，系统水下辐射噪声会产生“拐点”，辐射噪声量级将显著上升。在相同工况下，直接排气比排水过程形成的辐射噪声量级增加15 dB 以上。