水中含气对螺旋桨空泡噪声的影响

水中含气对螺旋桨空泡噪声的影响

0试验过程中所需含气量的影响螺旋桨噪声是船舶辐射噪声的主要声源之一。在舰艇的高速行驶中，不可避免地会发生空气泡噪声。影响螺旋桨空气泡噪声的因素包括：粘性、粗糙度、空气含量、气核谱、无序流和疲劳等。空气含量的数量影响初始值的空化数，影响螺旋桨的水动力特性和螺旋桨的动脉压，对螺旋桨的空气泡噪声有一定的影响。在实验过程中，为了观察和清晰地记录，所需的含量非常低。从确保实际船的运行和确保测试结果的良好连续性出发，需要更高的含量。同时，大量气核也是必要的。为了减少模型效应，保持船型与实际船之间的良好相关性，含有大量气芯。如果包含的气体密度高，空化更容易发生。最重要的特征是空化位于主缸的中间。在这种情况下，随着空气泡的数量减小，导面的空气泡变大，因此导面的空气泡是不稳定的。如果空气含量较低，即低泡沫密度，则导面的空气泡不太均匀，气泡较小，且气泡不长，因此从侧面分离和融合的空气泡，并出现大的空气泡。如果含量量过大，空气泡出生在主缸附近。在主缸的主缸底部的高压区，大量气泡的持续时间短且迅速扩展。导面上的空气泡被分成分散的漩涡，从而改变流结构。旋转的噪声随边缘扩散而传播，没有统一。在这项工作中，我们使用了模拟试验方法，研究了水土含量对螺旋桨噪声的影响和影响规律。通过模型试验分析了实际船只的工作。1试验设施、模型和测量方法选择某高速方尾船模型及配套的5叶大侧斜螺旋桨为试验对象,在大型循环水槽中对其进行测试.1.1大型循环水质模型试验大型循环水槽的尺度为:58m×6.5m×16.2m,试验段尺度为:10.5m×2.2m×2.0m,为立式循环水槽,贮水量1840t,最大流速15m/s.最低空泡数为0.05,低背景噪声90～100dB,驱动电机3600kW,转速5～90r/min.试验在大型循环水槽中进行,完整的船体模型放入水中,从而使伴流场可得到较好的模拟.1.2试验模型1.2.1体.1个主、3个球鼻模型用玻璃钢制作,在船模后半部做了刚度加强处理.附体包括1个球鼻首、2块舭龙骨、2对防摇鳍、2个轴包套、单臂支架、双臂支架与舵.船模主尺度见表1.1.2.2桨模参数试验中有1对可调距螺旋桨模型,包括左、右旋各1只.桨模材料为黄铜,主尺度见表2.1.3表3显示了试验设备及其测量、测量和精度1.4噪声试验测试根据实船每个航速下的推力系数和转速空泡数,计算得到模型试验时的桨模转速和工作段水速及压力,调节并达到稳定的试验工况后,进行0.5～80kHz频段内的噪声谱级和总声级测量.用声阵和单水听器测量螺旋桨模型的辐射噪声,包括低频噪声谱级和宽带噪声谱级.声阵平面中心和单水听器位于左右螺旋桨模型连线中点的正下方.其中,声阵平面中心位于下方3.03m,单水听器位于下方2.03m.具体步骤如下.1)测试0.5～80kHz频段内不同航速下的噪声谱级和总声级.试验时水槽中水的相对空气含量约为0.58.2)船模速度3.10m/s工况,改变水中相对空气含量,分别为0.50,0.68,0.82,测试0.5～80kHz频段内的噪声谱级和总声级(参考级:1mV/MPa).3)常压状态,船模纯自航时桨模噪声测量.测试0.5～80kHz频段内的噪声谱级和总声级,相应船模速度为2.48和2.97m/s.充气效果与充气位置、流量和空泡的性质等因素有关.本试验中,含气量的调节是通过试验装置直接向循环水槽中充气,消除了充气位置的影响.2转速不同的噪声为了测量不同船速、不同含气量对螺旋桨空泡噪声的影响,本试验进行了同一含气量下,不同船速时螺旋桨模型的辐射噪声的测量以及给定速度下,不同含气量情况下螺旋桨模型辐射噪声测量.螺旋桨模型的辐射噪声,包括低频噪声谱级和宽带噪声谱级.试验结果表明:同一含气量,模拟实船不同航速工况时,噪声的总声级随着航速增加逐步增加;模拟实船某一航速工况,水中不同含气量时,测量得到的噪声总声级随含气量的增加而下降,但桨模空泡形态无明显的区别.测试结果如图1,2所示.由图1可以看出:模拟实船不同航速工况时,噪声的总声级随着航速增加逐步增加.水中含气量一定时,噪声随速度的变化受频率的影响很大.0.5～1.25kHz频段内噪声随速度的增加而增大;1.25～10kHz频段内噪声随速度的增加而减小;10kHz以上噪声随速度的增加而增大.总的来讲,噪声的总声级随着航速增加逐步增加,桨模出现空泡后,频率大于10kHz的高频段的噪声谱级明显上升.高频阶段,船模航速由2.12m/s增至2.86m/s,再到3.24m/s,辐射噪声随航速增加而剧增;船模航速到3.37m/s后,噪声基本保持不变,甚至稍有下降.在试验中可观测到:每个航速工况,桨模上无叶面空化.桨模出现的为叶背片空泡,随着航速的增加,叶背片空泡面积增大,出现的梢涡空泡呈较稳定的透明薄片状.在高航速工况时,叶背出现泡空泡,会有螺旋桨表面剥蚀的可能.泡空泡的噪声远大于片空泡,航速变大,噪声值变大.水中含气量对噪声的作用,相关的文献有不同的看法.文献认为:当气量由零逐渐增大时,降噪明显.当含气量到一定值时已接近极大值,若再增大气量,降噪不会明显增加甚至可能下降,这是由于排气自噪声随排气量增大而增大之故.而文献认为:声源强度正比于液体密度与空泡体积变化加速度的乘积.气体含量虽然增加,空泡的生存时间延长,但体积的变化加速度仍然增加,所以辐射的噪声增加.其在考虑问题时只是考虑了单极子的情形,而忽略了偶极子以及四极子的情况.文献中提到:随着空化的发展,回转体空化噪声谱的低频升高,而高频段的噪声则相对下降.下降的原因是由于空化充分发展以后,片状空泡的尾部破碎后,其产生的大量空泡之间对高频声波具有屏蔽和声吸收作用,这也促使空化噪声的高端谱下降.本试验通过改变水中含气量,测试螺旋桨模型的辐射噪声.测试结果表明:噪声值随含气量的增加而变小.图2为在同一速度下不同含气量时的噪声测量值.从图2中可以看到:模拟实船航速工况,船模速度3.10m/s时,改变水中含气量,测量得到的噪声总声级随着含气量的增加略有下降.为了进一步看清楚含气量变化对噪声值的影响,绘制了图3.图3是含气量为0.50与0.82之间噪声测量值的差值变化曲线.由图3可知:噪声值降低的幅度随频率呈抛物线规律变化.低频与最高频率范围内,噪声值降幅不是很大.频率为5～8kHz范围内,噪声值降幅最大,随着含气量的增加,噪声值降低20dB左右.含气量的增加导致噪声值减少的原因有三方面.首先,空气含量增加,空泡变强,空泡面积变大,空泡角度范围变大.从而使高频阶段的空化充分发展,大空泡增多,大尺寸空泡溃灭的时间变长,引起单个空泡的辐射声压谱向低频偏移,从而导致整个空化噪声谱发生偏移,使噪声值变小.其次,随着含气量增加,水中的气核量增加,气核和空泡内含气量的增加,改变了水的声学特性,水中的气核和气泡,起到了声吸收声屏蔽的作用.同时,随着水中含气量的增加,空泡内的气体含量增加,空气对空泡的溃灭起到缓冲作用,降低了空泡的溃灭强度.这样噪声值就随含气量的增加而下降.实船航行过程中,水中的气核比较丰富,水中的含气量很高,接近或是达到饱和状态.船模在循环水槽中进行测试过程中,水中的含气量可进行控制.模型试验的目的是为了更好地模拟实船的工作状态,通过模型试验的结果,预报实船工作状态.本试验在大型循环水槽中进行,完整的船模放入水中,伴流场得到较好的模拟.通过增加含气量,水中气体的状态也接近实船状态,进一步减小了尺度效应.根据模型试验结果可知(图2),含气量0.68与0.82噪声值比较接近.气量越高,对噪声值的影响越小.结合模型试验和实船工作的特点,可初步确定实船航行时水中含气量的一个范围,不低于0.68,当含气量高于0.68时,实船和模型可很好结合,含气量对空泡噪声的影响基本可忽略.有关的试验就要求含气量不低于0.60.3含气量和频率对噪声的影响1)水中含气量一定时,桨模出现空泡后,噪声的总声级随着航速增加逐步增加,频率大于10kHz的高频段的噪声谱级明显上升.2)水中不同含气量时,测量得到的噪声总声级随着含气量的增加略有下降.同一速度下,噪声值随含气量的增加而减少.2～2.5kHz频率段减的幅度最大,都在10dB以上,频率为6.3kHz时降幅最大,达20.2dB.3)通过试验数据还可得知:噪声值随速度的变化受频率的影响很大.0.5～1.25kHz频率段,噪声值随速度的增加而增大;1.2