消水孔

工程上，在焊接管材件上，用于噴塑、電鍍等除水用的工藝孔。

管材不同，開的孔的大小、形狀不同。

消水孔一般在產(chǎn)品的向下面，在隱藏部位的端部，頂端位置，消水孔的大小，影響水流出的速度，大小合適位置正確的消水孔，可以給后道工序節(jié)約時間成本，加快工作效率。以及保證產(chǎn)品的后道工序加工質(zhì)量（噴塑，電鍍等）

流水孔網(wǎng)格劃分與邊界設置

以單流水孔為基礎，平板長300mm，寬100mm，前后流動域長度采用1 /2 板長，流動內(nèi)腔為長300mm，寬100mm，高50mm 的長方體。流水孔形狀為邊長20mm 的正方形，與流動內(nèi)腔成斜45° 角相連，內(nèi)部流動深度為5mm。本文主要研究流體自入口進入流動域，經(jīng)流水孔進入流動內(nèi)腔，再回流至流動域，經(jīng)出口流出的過程中流水孔的流噪聲特性。采用接口技術實現(xiàn)流水孔與流動域和流動內(nèi)腔的連接，采用六面體結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格生成，總數(shù)為503000。在速度入口邊界指定流動的速度和湍流參數(shù)，在流動出口邊界指定流動的回流湍流參數(shù)，壁面指定無滑移條件。為了更清晰的計算流水孔附近的阻力特性，設置邊界層，在壁面附近分布較密的網(wǎng)格。本文設置2 個水聽器對流噪聲數(shù)據(jù)進行采集，用以有效檢測流水孔對平板流噪聲的影響。1#水聽器位于平板中心上方一倍流水孔厚度(5mm)的高度，用于監(jiān)控流動域湍流噪聲。2#水聽器位于流水孔內(nèi)部中心位置，用于監(jiān)控流水孔內(nèi)流動漩渦噪聲。

流水孔單流水孔仿真分析

以單流水孔為計算模型，設定速度入口來流速度為5m / s，為了分析流水孔的存在對平板流噪聲特性的影響。由圖知，平板開孔前后噪聲分布產(chǎn)生了明顯的變化，流水孔位置( 流水孔上表面中心位于坐標原點) 處產(chǎn)生了較多的流噪聲特征點，而且這些特征點的聲功率峰值相對較高，說明流水孔的存在對流噪聲的產(chǎn)生具有重要的影響。平板開孔后兩處測點的流噪聲水平明顯提升。以流噪聲特征點( 曲線峰值點) 為比較量，可知: 開孔后特征點向低頻區(qū)轉(zhuǎn)移，說明流水孔模型對于平板流噪聲的影響，不僅體現(xiàn)在流噪聲數(shù)值的增加上，還體現(xiàn)在特征點對應頻率上，開孔后其低頻特性將變得更加突出。為了更直觀地表示平板開孔前后流噪聲水平的變化，采用1 /3oct 濾波器采樣，引入總聲級作為比較量進行聲學分析，其中心頻率按國際標準化組織ISO 的推薦，選定為: (1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0)× 10，本文m = 2，3。平板開孔前后，因流水孔存在帶來的流噪聲改變占有相當?shù)谋戎?，考慮到本文所選模型流水孔與平板面積之比為1:7.5，所以總聲級計算結果基本合理。對兩組水聽器數(shù)據(jù)進行比較可知，2#水聽器計算結果高于1#水聽器，這是由于1#水聽器位于湍流附面層外，這樣做可以有效地平均掉湍流噪聲壓力，降低水聽器對流噪聲的響應。而2#水聽器位于流水孔流動漩渦中心，由于流水孔內(nèi)流動正負壓力不平衡的原因，其對流噪聲的響應較大，所以造成了兩種位置流噪聲數(shù)值上的差異。

針對流水孔的流噪聲特性，對單流水孔模型做四種來流速度(5m /s、10m /s、15m /s、20m /s)下的流噪聲特性對比，隨著來流速度的增大，流水孔模型流噪聲特性呈現(xiàn)出與來流速度成正比的普遍規(guī)律。而且，流噪聲曲線振蕩現(xiàn)象更加明顯，說明速度對流噪聲的穩(wěn)定性具有一定的影響。流水孔流噪聲與來流速度呈正比例關系，來流速度從10m /s 到20m /s 的過程中，流噪聲增加了10dB 左右。潛艇噪聲級與航速有關，當航速超過戰(zhàn)斗巡航速度(7.5m / s)時，潛艇噪聲級與速度的6 次方成正比，也就意味著潛艇速度每增加一倍，噪聲級將增加18dB。考慮到潛艇噪聲包括機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲三部分，本文給出的流水孔噪聲僅為潛艇噪聲的一部分，結合潛艇噪聲其他影響因子，本文數(shù)據(jù)較為合理。

流水孔流水孔形狀

針對不同流水孔形狀，對潛艇流噪聲特性影響進行統(tǒng)計，前提條件為流水孔面積相同，取形狀分別為正方形( 邊長 20mm)圓形(半徑11.287mm)、菱形(底角60°，邊長21.492 mm)以及長方形(40mm × 10mm)，對其在5m /s 來流速度下進行數(shù)值仿真比較。四種模型流噪聲水平歸為兩類:

1)正方形和圓形流水孔全頻段噪聲級水平居于160dB 以下，二者低頻段聲壓級峰值較為接近。不同點在于，圓形流水孔高頻段噪聲級略高于正方形流水孔，其整體流噪聲水平又略低于正方形流水孔。

2)菱形和長方形流水孔流噪聲水平較為接近，二者低頻段聲壓級峰值和高頻穩(wěn)定段噪聲級水平均處于同一水平，所以可以認為二者流噪聲水平相近。

四種形狀流水孔在各測點的噪聲特性較為統(tǒng)一，整體呈現(xiàn)為正方形流水孔流噪聲最低 之后依次為圓形流水孔、菱形流水孔、長方形流水孔。這一規(guī)律與現(xiàn)在各國海軍潛艇流水孔普遍采用正方形作為制式標準相吻合，計算結果較為可信。

流水孔流水孔尺寸

針對流水孔尺寸對潛艇流噪聲特性的影響進行統(tǒng)計，以單流水孔為模型，以正方形流水孔 ( 邊長 20mm) 模型為基礎，維持流水孔寬度不變，改變流水孔長度，實現(xiàn)流水孔尺寸改變比例α = 0.5、1、2、4、8。在5m /s來流速度下進行數(shù)值仿真比較。流水孔尺寸顯著影響開孔平板流噪聲的水平，且隨著流水孔尺寸比例的增大，流噪聲呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在α = 2時達到最大，說明流水孔尺寸的改變對平板流噪聲的影響并不是單調(diào)變化的，而是存在一個峰值尺寸。將α = 2與其它四種比例時的情形進行對比可以看出:

1)尺寸減小時，整個頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越小，高頻帶降低的幅度越大。

2)尺寸增大時，整個頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越大，低頻帶降低的幅度越大。

3)對比尺寸減小和增大時，噪聲整體水平的降低情況可以看出，尺寸減小引起的流噪聲較小。

單孔平板模型因流水孔與流動內(nèi)腔相連，所以可以近似認為其為單孔吸聲結構。因流體流經(jīng)平板表面時所產(chǎn)生的流噪聲在高頻帶為白噪聲 不同結構對白噪聲的吸聲頻率不同，本文對單孔平板模型作基于流水孔尺寸的改變，那么不同的尺寸比例所對應的吸聲頻率也將有所不同。

另外，Liebermann從理論上證明了，離子弛豫機制和粘滯性將會導致水聲吸收系數(shù)與頻率的關系。根據(jù)流體力學的概念，流體在平板表面以及流水孔內(nèi)部流動時會產(chǎn)生粘滯阻尼，不同尺寸的流水孔會產(chǎn)生不同的粘滯性，因此水聲吸收系數(shù)不同，從而會產(chǎn)生不同的流噪聲水平。

綜上所述可知: 在本文數(shù)值仿真前提下，流水孔尺寸比例α = 2時，對流噪聲的吸收頻帶最少，因此吸聲最少，總聲級最大。而減小尺寸比例可獲得較低的噪聲輻射水平。因此通過優(yōu)化流水孔的尺寸，可以達到有效降低流噪聲水平的目的。

流水孔流水孔數(shù)量

針對流水孔數(shù)量對潛艇力學特性的影響進行統(tǒng)計，以單流水孔為研究模型，以正方形流水孔(邊長20mm)模型為基礎，改變平板模型流水孔開孔數(shù)量，實現(xiàn)流水孔數(shù)量N = 1、2、4、8，在5m /s 來流速度下進行數(shù)值仿真比較。由于流體流經(jīng)流水孔產(chǎn)生的湍動漩渦以及壓力波動區(qū)域會造成流噪聲的不穩(wěn)定，所以噪聲源的分布在流水孔間分布并不是簡單的疊加，而是呈現(xiàn)出一種相互干涉的現(xiàn)象: 位于中間位置的流水孔聲功率峰值最大，而后逐漸向兩側(cè)遞減，離速度入口以及流動出口最近的流水孔噪聲源聲功率峰值最小，整體趨勢為“拋物線”形狀。結論知，這可能是由于湍流附面層導致的湍流層流噪聲壓力未被有效平均，從而在多流水孔中，出現(xiàn)流噪聲在流水孔之間相對不平均的現(xiàn)象。

為了更直觀地顯示開孔平板流噪聲水平隨流水孔數(shù)量的變化率。由表可知:流水孔數(shù)量由1 增加到8 時，流噪聲增幅在13dB 以上，說明多孔結構流噪聲水平更高。整體而言，流噪聲水平與流水孔數(shù)量呈正比例關系。這說明流水孔數(shù)量對不同位置處的噪聲影響不同，這可以從流水孔縱剖面湍流分布來分析。單流水孔中，流水孔內(nèi)湍流漩渦較流動域壁面湍流活動更為激烈，所以 2#水聽器流噪聲數(shù)據(jù)較高。而對于 8 個流水孔，液體在流動內(nèi)腔流動時逐漸衰減，即離速度入口最近的流水孔流動最激烈，然后逐級衰減。而對于流動域壁面流動來說，其規(guī)律正好相反。本文以潛艇流水孔為研究對象，通過改變流水孔模型參數(shù)，得出流水孔的流噪聲特性。結論如下:

1) 平板開孔后流水孔附近湍流活動增強，噪聲源分布點增多，導致平板流噪聲整體水平的提升。

2) 流體流經(jīng)正方形、圓形、菱形以及長方形四種流水孔時，流噪聲水平以正方形流水孔最低，而后是圓形流水孔，長方形流水孔最大。

3) 流水孔尺寸的改變對平板流噪聲的影響并不是單調(diào)的，而是存在一個峰值尺寸，該尺寸下噪聲級最高。本文結果為流水孔形狀、尺寸及數(shù)量的匹配設計和潛艇航行降噪研究提供參考，對于流水孔流噪聲特性的實驗驗證是下一步解決的問題。 2100433B

潛艇流水孔是指開設在潛艇非耐壓非水密結構上，用于潛艇上浮下潛時供液體自由進出的開口。由于流體流經(jīng)流水孔時，流場中的非定常性會產(chǎn)生各種尺度的旋渦及湍流引發(fā)的脈動，作用于艇體外表面導致壓力波動，破壞表面湍流附面層內(nèi)的流動進而形成流噪聲，其對潛艇航行隱身性能產(chǎn)生一定的影響，降低了潛艇的隱蔽性，威脅潛艇的生存。中國船舶科學研究中心張楠 沈泓萃等針對潛艇流水孔結構精確仿真了流水孔的內(nèi)外流場特性。上海交通大學付慧萍 等人采用美國國防高等研究計劃署DARPA 的潛艇模型SUBOFF 作為研究對象，研究了大渦仿真方法在潛艇流動噪聲數(shù)值計算中的作用。張楠等人的研究結果側(cè)重于單一形式流水孔內(nèi)外流動特性的差異，而沒有探討多流水孔工況下特性。付慧萍等人的結論為潛艇流噪聲的研究提供了很好的預報方法，但是其研究重點側(cè)重于潛艇外流場繞流特性，而對于內(nèi)外流場之間流體交換問題卻沒有涉及。

本文基于Fluent 軟件平臺，利用大渦仿真技術計算潛艇流噪聲的優(yōu)勢，對潛艇流水孔三維結構模型進行數(shù)值仿真，準確仿真了流水孔內(nèi)外流場交換問題，通過對流水孔的數(shù)量、形狀，尺寸以及流動速度做變工況處理，分析了流水孔參數(shù)改變對潛艇流噪聲水平的影響，獲得了一定的流水孔流噪聲特性規(guī)律。