CN103712772B - 气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，包括如下步骤：步骤一、设置空气压缩机输出气体的压强范围；步骤二、设置水泵输出水流的流量；步骤三、调整金属箱矩形喷口的宽度；步骤四、依据试验测量值优化设计金属箱喷口宽度参数；步骤五、检验船只尾流逼真模拟效果。本发明中提出的尾流逼真模拟方法很容易在水池中实现，通过改变喷口的宽度实现模拟尾流中气泡密度的调整，对尾流声学特性研究具有重要意义。

Description

气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法

技术领域

本发明属于水声工程技术领域，涉及一种气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，尤其是具有一定压强范围的气体和一定流量的水在金属箱中混合，形成含有大量气泡的水流，从具有一定面积的矩形喷口中流出，模拟船只的尾流。

背景技术

随着水声工程技术应用范围的不断拓展，水声工程中研究的水声目标也越来越多样化。有的水声目标体积大，存在时间有限，用于试验研究的时间窗口小。多次形成这种大体积的水声目标，不仅容易受环境影响，其一致性也极难控制，造成人力、物力和财力的极大浪费。船只尾流就是这类目标之一，所以船只尾流的模拟方法在尾流声学特性研究中具有重要意义。

船只尾流的声学特性很多，包括尾流形成的几何形状、尾流的存在时间、尾流中气泡密度、尾流的插入损失、尾流中的声速变化以及尾流中气泡的大小，密度随时间的变化等。本发明暂只考虑尾流中的气泡密度和尾流的插入损失。根据Medwin模型和有效介质理论有如下方程：

$n(z,a)\≈\frac{4.6\×{10}^{-6}{f}^3\mathrm{\α}\left(f\right)}{1+0.1\×z}=\mathrm{RBA}\left[\mathrm{\α}\left(f\right)\right]---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2{\mathrm{\πc}}_0}{\mathrm{\ω}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{\mathrm{a\δn}(z,a)\mathrm{da}}{{({\mathrm{\ω}}_0^2/{\mathrm{\ω}}^2-1)}^2+{\mathrm{\δ}}^2}=\mathrm{FT}\left(n(z,a)\right)---\left(2\right)$

方程(1)中，α(f)为各频点处的尾流的插入损失(亦称之为尾流的额外衰减),单位为dB/m，z表示深度，a为气泡的半径。由尾流的插入损失α(f)和深度z即可估计尾流中的气泡密度，用RBA表示这一估计过程。n(z,a)表示在深度z上分布半径为a的气泡个数，f表示频率，单位为Hz。

方程(2)中，c₀为水中声速，δ为气泡的阻尼系数，ω₀为气泡半径为a的共振频率。α(ω)表示尾流的插入损失，单位8.686dB/m，ω表示角频率。由方程(2)即可估计出尾流在不同频率处的插入损失，用FT表示这一估计过程。若尾流气泡实际密度为n_t，尾流的插入损失的测量值为α_t：

α_t＝[α(ω₁),α(ω₂),…,α(ω_N)](3)

其中，α(ω₁),α(ω₂),…,α(ω_N)分别表示在不同频率下，尾流插入损失的测量值。

则结合方程(1)，可获得气泡密度的估计值n₀：

n₀＝RBA[α_t](4)

因此估计误差n_ε可写成：

n_ε＝n_t-n₀(5)

为了获得气泡密度，需要估计出方程（5）中的误差。α_t已知，插入损失α₀可估计为：

α₀＝FT(n₀)＝FT(n_t-n_ε)(6)

由于FT为线性运算，所以方程(6)可化简为：

α₀＝α_t-FT(n_ε)(7)

对方程(7)做RBA运算，则有：

n₀′＝RBA[α₀]＝RBA[α_t-FT(n_ε)](8)

＝n₀-n_ε′

其中，n₀′表示二次气泡密度的估计值。

n_ε′＝RBA[FT(n_ε)](9)

估计误差n_ε较小，为一阶小误差，则n_ε′是气泡密度谱n_t估计的二阶小误差，所以对于精度要求为一阶小时，则有：

n_ε′＝n_ε(10)

即有：

n_t＝2RBA[α_t]-RBA{FT[RBA[α_t]]}(11)

方程(11)中只含有测量参数α_t，因此可以获得气泡密度n_t。若一阶小误差不能满足要求，可仿照上面的过程做更低阶小误差估计推导，即：

n_t＝2n₀-n₀′＝2n₀-[2n₀′-n₀″](12)

其中，n₀″表示三次气泡密度估计值。

根据方程(2)估计尾流的插入损失，当满足方程(13)时，则停止迭代，认为气泡的密度收敛，其中门限thr的单位为dB。

|α_i(f)-α_i+1(f)|_max≤thr(13)

其中，α_i(f)表示第i次插入损失的估计值，α_i+1(f)表示第i+1次插入损失的估计值。采用上述方法即可获得尾流中气泡密度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法。

根据本发明提供的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，包括如下步骤：

步骤一、设置空气压缩机输出气体的压强范围；

步骤二、设置水泵输出水流的流量；

步骤三、调整金属箱矩形喷口的宽度；

步骤四、依据试验测量值优化设计金属箱喷口宽度参数；

步骤五、检验船只尾流逼真模拟效果。

优选地，在所述步骤一中，设置空气压缩机，形成稳定的输出气体压强范围0.4～0.5MPa，为金属箱内模拟尾流的形成提供稳定的高压气体。

优选地，在步骤二中，水泵流量的大小由水泵喷出水流的扬程设置，设置扬程小于4m，水泵的流量为20m³/h，确定金属箱中水流的供水量。

优选地，在步骤三中，调整金属箱矩形喷口的宽度，多次测量模拟尾流的后向散射强度。

优选地，金属箱喷口的宽度通过移动金属箱上的调整板，实现金属箱喷口宽度的调整。

优选地，在步骤四中，依据试验测量值优化设计的金属箱喷口宽度参数，调节尾流中的气泡密度，模拟船只尾流。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中提出的尾流逼真模拟方法很容易在水池中实现，通过改变喷口的宽度实现模拟尾流中气泡密度的调整，对尾流声学特性研究具有重要意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为金属箱的结构示意图，通过调整板的移动，调整矩形喷口的宽度。

图2为模拟尾流反向散射强度测量示意图。

图3为矩形喷口的长度L=10cm，宽度W=1cm和宽度W=5cm时，用频率100kHz、脉宽1ms的CW信号垂直照射模拟尾流时反向散射回波在不同位置的测量值。

图4为矩形喷口的长度L=10cm，宽度W=1cm和宽度W=5cm时，用频率125kHz、脉宽1ms的CW信号垂直照射模拟尾流时反向散射回波在不同位置的测量值。

图5为模拟尾流插入损失测量示意图。

图6为尾流中气泡密度迭代估计结果。

图7为尾流插入损失的迭代估计结果。

图中：

1为进水口；

2为进气口；

3为矩形喷口；

4为调整板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，在输入金属箱内的气体压强范围一定、水的流量一定和矩形喷口长度一定的条件下，调整矩形喷口的宽度改变模拟尾流中气泡的密度，进而逼真模拟船只尾流的方法。船只尾流模拟系统由空气压缩机、水泵、金属箱以及连接管等组成。本发明提供的所述方法主要由空气压缩机输出气体的压强范围参数的设置、水泵输出水流的流量设置、金属箱喷口的宽度调整、基于试验测量值的金属箱喷口宽度参数的优化设计和船只尾流逼真模拟效果的检验组成

具体实现步骤如下：

步骤一、空气压缩机输出气体的压强范围的设置

空气压缩机（PUMAGE50120）输出气体的压强范围由空气压缩机的压力调整螺丝和压差调整螺丝设置，形成稳定的输出气体压强范围0.4～0.5MPa，为金属箱内模拟尾流的形成提供稳定的高压气体。

步骤二、水泵输出水流的流量的设置

水泵流量的大小由水泵喷出水流的扬程设置，设置扬程小于4m，水泵的流量为20m³/h，确定金属箱中水流的供水量。

步骤三、调整金属箱矩形喷口的宽度

调整金属箱矩形喷口的宽度，多次测量模拟尾流的后向散射强度。

长方体的金属箱长为400mm、宽为200mm、高为300mm。金属箱喷口的长度为200mm，且固定不变，金属箱喷口的宽度最大为200mm，且可变。金属箱喷口的宽度通过移动金属箱上的调整板，实现金属箱喷口宽度的调整。如图1所示，通过螺杆旋进和旋出，调节图1中的调整板的位置，控制矩形喷口的宽度。测量了喷口的宽度分别为1cm和5cm时的模拟尾流的后向散射强度。试验布置结构示意图如图2所示。分别用频率100kHz和125kHz、脉宽1ms的CW信号垂直照射模拟尾流，通过标准水听器B&K8105在9个不同位置接收尾流反向散射信号，水听器输出电压的RMS值如图3和图4所示，说明矩形喷口宽度为1cm时形成的模拟尾流中气泡的密度比矩形喷口宽度为5cm时高。

步骤四、依据试验测量值优化设计金属箱喷口宽度参数

依据试验测量值优化设计的金属箱喷口宽度参数，调节尾流中的气泡密度，模拟船只尾流。

图3和图4说明当喷口长度为L=10cm、宽度为1cm时形成的尾流比喷口长度为L=10cm、宽度为5cm时形成的尾流的反向散射回波更强。因此金属箱喷口优化设计时，将喷口宽度设置为W=1cm，空气压缩机输出气压范围为：0.4～0.5MPa，水泵的流量设置为20m³/h，测量了30kHz～150kHz范围内，以10kHz为步长的各频点的尾流插入损失，测量示意图如图5所示。

步骤五、船只尾流逼真模拟效果的检验

采用上述方法设计金属箱的喷口宽度完成了船只尾流逼真模拟设计。

利用背景技术中介绍的气泡密度估计方法，估计模拟尾流中气泡密度和插入损失，如图6和图7所示。估计的结果与典型测量值对比，对比结果如表1所示。表1为模拟尾流与StevenStanic等人2004年在巴拿马城南10海里处，测量Neptune船尾流的典型结果的对比。

表1为模拟尾流与典型测量结果的对比。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设置空气压缩机输出气体的压强范围；

步骤二、设置水泵输出水流的流量；

步骤三、调整金属箱矩形喷口的宽度；

步骤四、依据试验测量值优化设计金属箱喷口宽度参数；

步骤五、检验船只尾流逼真模拟效果；

空气压缩机输出的气体提供给金属箱；

水泵输出的水流提供给金属箱；

在输入金属箱内的气体压强范围一定、水的流量一定和矩形喷口长度一定的条件下，调整矩形喷口的宽度改变模拟尾流中气泡的密度，进而逼真模拟船只尾流。

2.根据权利要求1所述的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，设置空气压缩机，形成稳定的输出气体压强范围0.4～0.5MPa，为金属箱内模拟尾流的形成提供稳定的高压气体。

3.根据权利要求1所述的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，在步骤二中，水泵流量的大小由水泵喷出水流的扬程设置，设置扬程小于4m，水泵的流量为20m³/h，确定金属箱中水流的供水量。

4.根据权利要求1所述的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，在步骤三中，调整金属箱矩形喷口的宽度，多次测量模拟尾流的后向散射强度。

5.根据权利要求4所述的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，金属箱喷口的宽度通过移动金属箱上的调整板，实现金属箱喷口宽度的调整。

6.根据权利要求1所述的气泡密度可调的船只尾流逼真模拟方法，其特征在于，在步骤四中，依据试验测量值优化设计的金属箱喷口宽度参数，调节尾流中的气泡密度，模拟船只尾流。