CN105956248B - 一种加速混响水池内喷射流耗散的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种加速混响水池内喷射流耗散的装置及其不锈钢圆柱的设计方法。一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，包括底座、支撑杆、进流网、出流网、调流网，其特征在于：所述底座为一长方体钢锭，所述支撑杆的一端焊接在底座上，支撑杆的另一端焊接进流网和出流网，所述进流网为圆形，所述出流网为正方形，由不锈钢圆柱制成，所述调流网位于进流网和出流网中间，调流网为正方形，由不锈钢圆柱制成。由于该加速混响水池内喷射流耗散的装置能够将喷射流分解成更小的涡，从而使流场导致的声能量分散在更宽的频带内，降低了推进系统测试中喷射流对水听器自噪声影响，提高了信噪比。

Description

一种加速混响水池内喷射流耗散的装置

技术领域

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种加速混响水池内喷射流耗散的装置及其不锈钢圆柱的设计方法。

背景技术

目前，喷嘴的射流噪声或推进系统的机械噪声可以在混响水池内利用混响法测量得到，喷嘴或推进系统在混响水池内是处于固定状态的，由于推进系统一般是带螺旋桨工作，而由喷嘴或螺旋桨产生的水下射流很容易达到池壁，在水池内形成漩涡，漩涡在旋转、掺和空气以至破碎的过程中，会产生严重的辐射噪声，影响试验测量的结果，而且射流冲击池壁也会使得池壁振动，从而产生辐射噪声；如果扩建水池，则需要开挖大量的土方，短时间难以实现。因此，如何在有限的混响水池空间内快速耗散喷射流，就成为一个迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决目前有限水池空间内喷射流噪声测试中有限空间内产生辐射噪声的加速混响水池内喷射流耗散的装置。

本发明的目的是提供一种加速混响水池内喷射流耗散的装置的不锈钢圆柱的设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，包括底座、支撑杆、进流网、出流网、调流网，其特征在于：所述底座为一长方体钢锭，所述支撑杆的一端焊接在底座上，支撑杆的另一端焊接进流网和出流网，所述进流网为圆形，所述出流网为正方形，由不锈钢圆柱制成，所述调流网位于进流网和出流网中间，调流网为正方形，由不锈钢圆柱制成。

所述进流网和出流网之间焊接四根不锈钢圆柱，使进流网和出流网连接在一起。

所述进流网和出流网的面积之比为1:3；进流网的直径为2D，D为喷嘴的内径，出流网的边长为3.07D；进流网平面与出流网平面之间的距离为2D。

所述调流网平面与出流网平面之间的距离为1D；调流网的边长为2.24D。

所述调流网和出流网中的不锈钢圆柱在方向上相互垂直。

所述调流网在调流网所成的正方形中间焊接一个不锈钢圆柱，不锈钢圆柱将正方形分成为两个长方形，继续在这两个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形分成为四个长方形，继续在这四个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为八个长方形。

所述出流网在出流网所成的正方形中间焊接一个不锈钢圆柱，不锈钢圆柱将正方形分成为两个长方形，继续在这两个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为四个长方形，继续在这四个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为八个长方形。

所述的进流网平面与喷嘴平面之间的距离为10D，进流网的中心与喷嘴的中心对齐。

一种加速混响水池内喷射流耗散的装置的不锈钢圆柱的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：不锈钢圆柱的直径在0.01D-0.2D之间选取，选定一个直径数据后，根据混响水池内距离喷嘴1D处的射流速度，结合水的密度和粘度，计算流体中不锈钢圆柱的雷诺数，此雷诺数满足卡门涡街形成的条件；

步骤2：结合流速和不锈钢圆柱的宽度，计算上述不锈钢圆柱的卡门涡街频率；

步骤3：建立上述不锈钢圆柱的模型，利用边界元软件计算不锈钢圆柱在水中的模态频率，考察模态频率是否有与卡门涡街频率重合的情况，如无重合，则选定直径的圆柱可行；

步骤4：如有重合，则重新选择不锈钢圆柱的直径，重复步骤1-3。

本发明的有益效果在于：利用调流网中的不锈钢圆柱在喷射流中形成卡门涡街效应，将喷射流中心的来流分裂成一系列涡，破坏了流场的均匀结构；由于出流网中的不锈钢圆柱跟调流网中的不锈钢圆柱在方向上相互垂直，当调流网中的涡到达出流网时，会被出流网中的不锈钢圆柱进一步阻挡，破碎成更小的涡，由于调流网和出流网已远离水下喷流产生噪声的主要辐射区(距离喷嘴7-8D处的过渡区)，不会对试验测量的结果造成影响；由于该加速混响水池内喷射流耗散的装置能够将喷射流分解成更小的涡，从而使流场导致的声能量分散在更宽的频带内，降低了推进系统测试中喷射流对水听器自噪声影响，提高了信噪比；

在设计不锈钢圆柱时，使得在流场中不锈钢圆柱的卡门涡街频率跟不锈钢圆柱的模态频率不重合，避免了不锈钢圆柱在流的作用下发生共振，产生额外的辐射噪声；采用进流口为圆形、出流网为正方形的设计，这也对流噪声进行了消噪，因为在同样流速的情况下，正方形喷嘴的辐射噪声要比圆形喷嘴的辐射噪声小。

附图说明

图1为一种加速混响水池内喷射流耗散的装置整体框图；

图2为进流网示意图；

图3为出流网示意图；

图4为调流网示意图；

图5为一种加速混响水池内喷射流耗散的装置的设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的一种加速混响水池内喷射流耗散的装置及设计方法所采用的技术方案做进一步说明。

一种加速混响水池内喷射流耗散的装置及设计方法，包括底座、支撑杆、进流网、出流网、调流网、以及调流网和出流网中不锈钢圆柱的设计方法，其特征在于，所述底座为长方体钢锭，所述支撑杆焊接在底座上，所述进流网为圆形，所述出流网为正方形，内部焊接不锈钢圆柱，在进流网的外侧与出流网的外侧焊接不锈钢圆柱，所述调流网位于进流网与出流网中间，内部焊接不锈钢圆柱；该加速混响水池内喷射流耗散的装置及设计方法，能快速耗散由喷嘴或螺旋桨产生的喷射流，减少喷射流对池壁冲击引起的振动噪声，并能消除由喷射流在水池内形成的漩涡，产生的附加噪声小，适合在混响水池进行水下喷流噪声源辐射声功率测试中使用。

其中，1为底座、2为支撑杆、3为进流网、4为出流网、41为不锈钢圆柱、5调流网、 51为不锈钢圆柱、6为连接杆。

实施例一：喷嘴为钢管，内径88mm，外径108mm，长度1.70m，流速2.4m/s；

一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，包括底座1、支撑杆2、进流网3、出流网4、调流网5，底座1上焊接支撑杆2，支撑杆2的另一端焊接进流网3和出流网4，进流网3和出流网4之间焊接连接杆6，调流网5焊接在连接杆6所成的支架中；

底座1为一长方形钢锭，尺寸为0.8×0.4×0.2(m)，在底座上焊接支撑杆2，支撑杆2 为不锈钢圆钢经切削、加工制成的不锈钢圆柱，直径为5mm；

进流网3是由不锈钢圆钢经切削、由数控加工制成的不锈钢圆柱，进流网是圆形，内径为176mm，线径为3mm，焊接在支撑杆2上；

出流网4是由不锈钢圆钢经切削加工制成的不锈钢圆柱，焊接制成，出流网为正方形，边长为271mm，中间焊接七根不锈钢圆柱41，将出流网4分成八个面积相同的长方形，出流网4边框的不锈钢圆柱的直径为5mm，不锈钢圆柱41的直径为3mm，出流网4的边框焊接在支撑杆2上；

支撑杆2总共四根，支撑进流网3的两根不锈钢圆柱高度均为180mm，间距为165mm，支撑出流网4的两根不锈钢圆柱高度均为75mm，间距为165mm；

在进流网3上选取等间距的四个点，下面两点的连线平行于底座1，上面两点的连线也平行于底座1，两个点之间的直线距离为124.5mm，在出流网4两条竖边框上离两端各为11mm 处选取一点，将进流网3上的四个点与出流网4上的四个点之间焊接连接杆6，连接杆6是由不锈钢圆钢经切削加工制成的不锈钢圆柱，直径为5mm，长度200mm；

在进流网3和出流网4的中间，焊接调流网5，调流网5是由不锈钢圆钢经切削、加工制成的不锈钢圆柱，焊接制成，调流网5为正方形，边长为197mm，中间焊接七根不锈钢圆柱51，将调流网5分成八个面积相同的长方形，调流网5边框的不锈钢圆柱的直径为5mm，不锈钢圆柱51的直径为3mm，调流网5的边框焊接在连接杆6上，连接杆6的焊点距离调流网5两端各为4.5mm；

调流网5中的不锈钢圆柱51与出流网4中的不锈钢圆柱41在方向上相互垂直；

经有限元软件ANSYS建模，利用边界元软件Virtual LAB计算，调流网5中不锈钢圆柱 51的前三阶模态频率分别为354.2、975.5、3392.4Hz,出流网4中不锈钢圆柱41的前三阶模态频率分别为184.6、508.5、2544.1Hz；在水中流速为2.4m/s的不锈钢圆柱41和不锈钢圆柱51的雷诺数为7200，满足卡门涡街的形成条件，此时不锈钢圆柱41的涡街频率为168Hz，不锈钢圆柱51的涡街频率为168Hz；可见，不锈钢圆柱41和不锈钢圆柱51均未在射流的作用下共振；

将加速混响水池中喷射流耗散的装置吊放至混响水池内，在底座下放置橡胶垫，并利用橡胶垫调整底座的高度，使进流网3、出流网4和调流网5的轴心与钢管的轴心重合，进流网3距离钢管出口平面880mm，经观察，放置该加速混响水池中喷射流耗散的装置后，大大减少了喷射流对池壁冲击的影响。

实施例二：水下推进系统带螺旋桨工作产生的喷射流，螺旋桨直径为300mm；

底座1的尺寸为1.2×0.8×0.3(m)，支撑杆2的直径为15mm；进流网3的内径为600mm，线径为8mm；出流网4的边长为921mm，中间焊接七根不锈钢圆柱41，将出流网4分成八个面积相同的长方形，出流网4边框的不锈钢圆柱的直径为15mm，不锈钢圆柱41的直径为8mm，出流网4的边框焊接在支撑杆2上；

支撑杆2是四根不锈钢圆柱，直径为15mm，支撑进流网3的两根不锈钢圆柱高度为458.5mm，间距为500mm，支撑出流网4的两根不锈钢圆柱高度为10mm，间距为500mm；

在进流网3上选取等间距的四个点，下面两点的连线平行于底座1，上面两点的连线也平行于底座1，两个点之间的直线距离为423mm，在出流网4上两条竖边上离两端各为50mm 处选取一点，将进流网3上的四个点与出流网4上的四个点之间焊接连接杆6，连接杆6的直径为15mm，长度678mm；

在进流网3和出流网4的中间，焊接调流网5，调流网5边长为672mm，中间焊接七根不锈钢圆柱51，将调流网5分成八个面积相同的长方形，调流网5边框的不锈钢圆柱的直径为 15mm，不锈钢圆柱51的直径为8mm，调流网5的边框焊接在连接杆6上，连接杆6的焊点距调流网5两端各为26mm；

调流网5中的不锈钢圆柱51与出流网4中的不锈钢圆柱41在方向上相互垂直；

经有限元软件ANSYS建模，利用边界元软件Virtual LAB计算，调流网5中不锈钢圆柱 51的前三阶模态频率分别为80.4、221.6、1272.1Hz,出流网4中不锈钢圆柱41的前三阶模态频率分别为42.9、118.5、848.0Hz；由于螺旋桨产生的流场复杂，包括轴向速度、周向速度和径向速度，在计算时取平均流速为5m/s，在水中流速为5m/s的不锈钢圆柱41和不锈钢圆柱51的雷诺数为40000，满足卡门涡街的形成条件，而在水中流速为5m/s的不锈钢圆柱41的涡街频率为131Hz，不锈钢圆柱51的涡街频率为131Hz；可见，不锈钢圆柱41和不锈钢圆柱51均未在喷射流的作用下共振；

将加速混响水池中喷射流耗散的装置吊放至混响水池内，在底座放置橡胶垫，并利用橡胶垫调整底座的高度，使进流网3、出流网4和调流网5的轴心与螺旋桨的轴心重合，进流网3距离钢管出口平面3000mm，经观察，放置该加速混响水池中喷射流耗散的装置后，螺旋桨在工作时产生的喷射流被加速耗散。

Claims (4)

1.一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，包括底座、支撑杆、进流网、出流网、调流网，其特征在于：所述底座为一长方体钢锭，所述支撑杆的一端焊接在底座上，支撑杆的另一端焊接进流网和出流网，所述进流网为圆形，所述出流网为正方形，由不锈钢圆柱制成，所述调流网位于进流网和出流网中间，调流网为正方形，由不锈钢圆柱制成；所述进流网和出流网之间焊接四根不锈钢圆柱，使进流网和出流网连接在一起；所述调流网和出流网中的不锈钢圆柱在方向上相互垂直；所述调流网在调流网所成的正方形中间焊接一个不锈钢圆柱，不锈钢圆柱将正方形分成为两个长方形，继续在这两个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形分成为四个长方形，继续在这四个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为八个长方形；所述出流网在出流网所成的正方形中间焊接一个不锈钢圆柱，不锈钢圆柱将正方形分成为两个长方形，继续在这两个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为四个长方形，继续在这四个长方形的中间，平行于第一个不锈钢圆柱方向，各焊接一个不锈钢圆柱，此时正方形将被分成为八个长方形；所述的进流网平面与喷嘴平面之间的距离为10D，进流网的中心与喷嘴的中心对齐，D为喷嘴的内径或螺旋桨外径。

2.根据权利要求1所述的一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，其特征在于：所述进流网和出流网的面积之比为1:3；进流网的直径为2D，D为喷嘴的内径，出流网的边长为3.07D；进流网平面与出流网平面之间的距离为2D。

3.根据权利要求1所述的一种加速混响水池内喷射流耗散的装置，其特征在于：所述调流网平面与出流网平面之间的距离为1D；调流网的边长为2.24D。

4.根据权利要求1所述的一种加速混响水池内喷射流耗散的装置的不锈钢圆柱的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：不锈钢圆柱的直径在0.01D-0.2D之间选取，选定一个直径数据后，根据混响水池内距离喷嘴1D处的射流速度，结合水的密度和粘度，计算流体中不锈钢圆柱的雷诺数，此雷诺数满足卡门涡街形成的条件；

步骤2：结合流速和不锈钢圆柱的宽度，计算上述不锈钢圆柱的卡门涡街频率；

步骤3：建立上述不锈钢圆柱的模型，利用边界元软件计算不锈钢圆柱在水中的模态频率，考察模态频率是否有与卡门涡街频率重合的情况，如无重合，则选定直径的圆柱可行；

步骤4：如有重合，则重新选择不锈钢圆柱的直径，重复步骤1-3。