带消声功能的潜艇换热器声学性能仿真

游彩霞, 裴植炫, 何雪松

(1.武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065；2.中国舰船研究设计中心 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430064)

0 引 言

潜艇因其自身的隐蔽性、自给力、续航力和强大的攻击能力等特点，成为现代海军的主战力量。在发展潜艇的关键技术中以隐身技术为首。机械噪声是潜艇在水下低速航行时的主要噪声源，得到有效控制，但海水管道的噪声较为突出。海水管道的振动和噪声传播至其他结构，刺激其产生声辐射；管道中的流动噪声通过管壁辐射，直接进入出水口。为降低压力脉动和水动力噪声，普遍使用流体消声器。为实现较好的噪声控制效果，消声器通常具有较大的尺寸和质量，对总体的布置和质量控制均带来较大影响，特别是对空间质量限制严格的潜艇，问题更为突出[1-2]。

提出一种带消声功能的换热器，在实现海水/淡水换热功能的基础上，利用内部结构耗散作用和气囊体积的可变性，优化管路流场，衰减流体压力脉动和水动力噪声。一个设备实现换热器和消声器两个设备的功能，可较大节省总体空间和质量需求[3]。通过数值计算验证其全频段的消声效果，并探讨其结构设计参数对消声性能的影响规律。

1 带消声功能换热器建模

1.1 物理模型

潜艇换热器具有复杂且不规则的耦合结构，其声学性能研究较为复杂，在建模时将气囊简化为简单的膨胀腔进行处理，不考虑流体的压力脉动对气囊产生的微小变形。物理模型如图1所示。

图1 物理模型

换热器外壳采用钢结构，换热器内管壁采用铜结构。气囊部分的密度为1 100 kg/m3，弹性模量为1.4×108Pa，泊松比为0.49。在腔体内分布的隔板上均匀分布直径为6 mm的穿孔，穿孔率为20.0%。

1.2 数学模型

考虑换热器内部主要为穿孔和插孔，且由于局部流体不可压缩，因此采用标准k-ε模型进行求解和分析。根据质量、能量和动量守恒定律，可建立如下控制方程：

连续性方程为

(1)

运动方程为

(2)

能量守恒方程为

(3)

式(1)～式(3)中：ρ为密度；t为时间；p为静压；V为速度矢量；E为总能；τij为剪切应力；k为流体传热系数；SK为热源项。

2 消声原理和声学性能

2.1 环状气囊消声原理

水动力噪声通过透水孔板到达充有氮气的气囊上，气囊厚度为3 mm，穿孔板的穿孔率为 20.0%。气囊内的压力一般为管路系统压力的60%～100%。在流体流进时，流体压力脉动会使外腔体内的气囊产生微小变形，这样可减少流体脉动，减少管道系统的噪声和振动。有囊式消声器的优点是可在较宽的频率范围内吸收流体压力脉动[4]。

2.2 消声器声学性能要求及其评价

消声器的主要声学性能要求是需要在较宽的消声频率范围内拥有较多的消声量。消声器的声学性能评价可用消声量表示，其评价参数包括插入损失、传递损失和末端降噪量。传递损失可反映消声器本身的传递特性且仅取决于消声器本身的形状和介质特性，不受消声器以外因素的干扰，在理论计算中较常用的是传输损失评估参数。研究仅对消声器的传递损失进行仿真对比分析[5-6]。

3 换热器温度场分析

由于温度对流体的密度和声速等具有密切关联，在换热器中经常会出现较大的温度梯度，因此介质属性存在较大差异，必然会影响声音的传播[7]。冷流体入口温度为293 K、热流体入口温度为363 K的换热器内部温度场云图可在VirtualLab上观察。换热器内部总体温度变化不大，温度最高区域主要集中于热流体入口所在的前半段区域，表明流体在该区域聚集，流速较小，散热缓慢，温度梯度变化缓慢；随着换热器中的温度升高，腔体中的流速和声音传播速度增加；随着温度升高，有囊式消声器的传输损失的峰值频率移动至高频，但传输损失的最大值保持不变[4]。

4 流场影响下的声学特性

传统的声学处理是基于声波在静态介质中的传播。在介质以高于马赫数0.3的速度流动时，流速效应会导致声音传播性质发生较大变化。声音的传播特性因流场效应的存在而产生明显的变化，在分析其传递损失时，必须考虑流场对声音传播的影响[7-8]。在Fluent中仿真得到的流动模拟网格数据结果作为声学仿真中的声源。

5 气囊消声效果

通过Ansys软件，分别建立有囊式和无囊式消声器的换热器，并将由计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)计算得到的流场网格数据导入VirtualLab，得到有囊式和无囊式消声器的传递损失曲线，如图2所示。由图2可知：有环状橡胶气囊的换热器的声学性能相对于无环状橡胶气囊的换热器具有大幅的提升，尤其在低频段具有更好的消声性能[9-10]。这证明有囊式消声器可通过自身结构衰减压力脉动，降低换热管道中的声辐射问题。

图2 有囊式和无囊式消声器的传递损失曲线

6 气囊设计参数对消声性能的影响规律

可设计性是有囊式消声器的一大优势，尽管囊式结构的基体和材料一致，但通过改变气腔长度、穿孔直径和穿孔率等，即可使结构的固有频率、弹性模量和阻抗等发生改变，影响结构的消声性能。有必要对不同设计参数带来的影响规律进行研究。

6.1 气腔长度

气囊气腔是直接与流体接触的部分，可通过自身的微小变形衰减相应的压力脉动，提升消声性能。采用控制变量法，分别对气腔长度为60 mm、80 mm、97 mm的有囊式消声器进行计算，传递损失结果如图3所示。由图3可知：通过观察其峰值的明显变化，验证气腔长度的增长可提高有囊式消声器的消声性能，符合预期。

图3 不同气腔长度传递损失曲线

6.2 穿孔直径

采用控制变量法，将穿孔板的穿孔率固定为20.0%，将穿孔直径14 mm改为7 mm，在保持冷热流体流速不变的前提下，对不同直径的直通穿孔管消声器进行计算，传递损失结果如图4所示。由图4可知：穿孔直径主要对峰值具有一定影响，对其他频带的影响较小；在恒定穿孔率和流速的情况下，孔内流速基本相等，穿孔处的声阻变化较小，对声波的耗散作用相似，在传递损失曲线的中高频段传递损失增量与无流情况基本相同。

图4 不同穿孔直径传递损失曲线

6.3 穿孔率对消声器声学性能的影响

其他主体结构不变，保持穿孔直径和冷热流体的流速不变，将穿孔率分别取15.0%和7.5%进行计算，传递损失结果如图5所示。由图5可知：在穿孔率降低后，其峰值和频率均降低，但对较低频段和较高频段声学特性的影响并不大。

图5 不同穿孔率传递损失曲线

7 结 论

提出一种带消声功能的换热器，通过建立仿真模型和进行传递损失计算，证明有囊式消声器的消声效果。通过囊式结构参数的可设计性，利用控制变量法定量改变设计参数，分别研究气腔长度、穿孔直径和穿孔率对气囊消声效果的影响规律，结论如下：

(1)随着气腔长度的增长，有囊式消声器整体的消声性能得到稳定提高，在实际工程运用中可选用合适的气腔长度，达到理想的效果。

(2)穿孔板的穿孔直径对有囊式消声器消声性能的影响主要体现为对其峰值具有一定影响；在恒定穿孔率和流速的情况下，孔内流速基本相等，穿孔处的声阻变化较小，对声波的耗散作用相似，在传递损失曲线的中高频段传递损失增量与无流情况基本相同。

(3)穿孔板的穿孔率对有囊式消声器消声性能的影响与频率有关，主要对其峰值和频率影响明显。