CN108953825B - 一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置及方法，属于声学测量领域。本发明提供的装置包括圆管、薄膜、套管、加压器、压力表、压力传感器；圆管表面开设小通孔，薄膜贴敷在圆管的外表面，套管与圆管同轴心放置，并与圆管外表面组成封闭系统，加压器位于套管的外侧，压力表位于套管的外侧，压力传感器位于圆管进流端和出流端的内表面；本发明提供的方法包括：采用插值的方法得到圆管内流体的压强；计算得到需要施加至薄膜表面的压强；调整压强值为小通孔处流动压强和薄膜表面压强之和；本发明解决了流动在圆管中运动时受到的较大阻力和较高噪声问题，可以提高潜艇、鱼雷等水下航行器的声隐身性能。

Description

一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置及方法，属于声学测量领域。

背景技术

近年来，为降低潜艇、鱼雷等水下航行器的水动力噪声，开展了以填角、消涡片、扁平格栅等为典型代表的被动流动控制技术，该技术的优点在于不需要向流场中注入能量，但是由于控制方式不能随来流状态进行实时变化，在较高流速和较大攻角时，达不到降低水动力噪声的目的。为了提高控制水动力噪声的效果，也有以自适应吸流、零质量射流、电磁力等为代表的主动流动控制技术，该技术通过向流场中注入能量，特别是往边界层内注入能量，实现流场与水动力噪声的主动控制，由于所需的能量少，控制效果佳，达到了“四两拨千斤”的功效，成为目前研究的热点。

自适应吸流是一种将压力较高处的流动抽吸至压力较低处，减轻湍流脉动压力对结构的激励，实现流动主动控制的技术。但是，在实现该技术时，需要采用导管对流动进行抽吸，而导管的流动与声学特征是限制应用该技术的主要因素，如何设计低噪声和低阻力的导管就显得愈发重要。

在公开发表的采用吸流技术进行流动控制的文献中，往往只侧重吸流孔的尺寸、吸流孔的位置、吸流速度与来流速度之比等方面的研究(张胜利，抽吸控制翼板结合部马蹄涡的大涡模拟研究，第十二届全国水动力学学术会议，2013)，极少或没有涉及抽吸之后的流动处理方法，这使得自适应吸流技术与实际的工程应用之间还有一定的距离。

实现自适应吸流的最简单的方法就是将吸流口和出流口以导管连接起来，这种方法固然有效，但由于没有考虑导管内表面的阻力效应、湍流激励管壁产生的噪声，以及导管出流口处形成的喷流噪声等，其降低水动力噪声的效果肯定会大打折扣。这是因为流动激励管壁产生的噪声是流激结构噪声，此噪声的辐射效率与偶极子声源的辐射效率相同，远远高于流动自身的噪声辐射效率，因为后者的辐射效率是四极子声源的辐射效率。可见，采用自适应吸流进行流动控制的技术，着重需要解决导管的流动发声问题。

对于导管噪声，特别是管道噪声的治理工作，已公开发表的研究成果可分为以下几类：第一，采用特殊材料对导管流激噪声进行抑制，例如将钢管换成碳纤维管、聚乙烯管和带钢丝的软管等，这些均是利用粘弹性材料的较大损耗特性来衰减流激噪声的；第二，采用消音器对导管流激噪声进行抑制，例如管道中插入以摩托车或汽车的排气筒构造为典型代表的扩张型消音器，可以吸收流激噪声；第三，通过在管壁贴敷粘弹性材料对导管流激噪声进行抑制，例如房间内的下水管道外面贴敷聚乙烯绒、棉麻等消声覆盖层，可吸收导管的流激噪声；第四，通过在管壁内部放置小贴片---形成涡流发生器，对导管的流激噪声进行抑制。上述这些抑制流激噪声的方法并没有考虑如何减少导管内的流动阻力，属于只治标而没有治本的方法，不能满足自适应吸流技术在工程中的应用。

发明内容

本发明提供了一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置及方法，具体技术方案如下：

本发明提供的装置包括圆管1、薄膜2、套管3、加压器4、压力表5、进流端压力传感器61、出流端压力传感器62；其中，圆管表面开设小通孔11，薄膜贴敷在圆管的外表面，套管与圆管同轴心放置，并与圆管的外表面组成封闭系统，加压器位于套管的外侧，压力表位于套管的外侧，压力传感器位于圆管进流端和出流端的内表面；

本发明提供的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置通过加压器对套管与圆管外表面组成的封闭系统进行压力调节，使得薄膜透过圆管表面的小通孔至圆管内表面，形成微凸结构；圆管表面的小通孔依据水下微穿孔板的原理进行设计；

套管3由两个半圆柱壳组成，在套管的端面有凹型槽311，在凹型槽内放置密封圈312；在套管外侧有第一法兰31、第二法兰32、第三法兰33和第四法兰34，第一法兰与第二法兰通过螺栓37、螺母38以及硅胶垫39紧固连接，第三法兰与第四法兰通过螺栓35、螺母36以及硅胶垫310紧固连接；

加压器4由螺母41、螺杆42、活塞43和气缸组成，其中，活塞上开设凹型槽45，凹型槽内放置O型圈44；通过旋转螺杆，可使得活塞在气缸内进行升降运动，实现压力调节；

本发明提供的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制方法，步骤如下：

第一步，根据圆管进流端和出流端的压力传感器数据，采用插值的方法得到圆管内流体的压强；

第二步，根据薄膜的表面张力系数和需要形成微凸结构的曲率半径，通过杨-拉普拉斯公式计算得到需要施加至薄膜表面的压强；

第三步，旋转加压器中的螺杆，使得活塞在气缸内运动，观察压力表示数，使套管与圆管外表面组成的封闭系统的压强值为圆管内表面小通孔处流动的压强和薄膜表面的压强之和。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.圆管表面开设若干小通孔，利用薄膜透过小通孔形成微凸结构，微凸结构增加了流动与壁面之间的滑移半径，使固壁无滑移状态变化为滑移状态，从而可减小流阻；薄膜形成的微凸结构可使得在管壁处的层流变化为湍流，由于层流的阻力大于湍流的阻力，因此，该微凸结构可减少流动在圆管内受到的阻力；该微凸结构可在流动运行过程中产生的湍流脉动压力作用下发生变形，吸收湍流脉动压力，从而减少流动对圆管的激励，进而减小流激噪声；

2.圆管表面开设的小通孔与薄膜和套管之间的空腔组成微穿孔板与亥姆霍兹共振腔结构，能够吸收流动在圆管内的发声，进一步减小了圆管的流激噪声和圆管内的流噪声；最后，薄膜和套管之间的空气腔与套管组成了一个“弹簧-质量”的振动系统，借助于薄膜中空气介质的弹性效应和套管的质量效应，形成一个被动的减振系统，这也在一定程度上吸收了圆管因流激作用而产生的噪声；

3.通过加压器可调整薄膜透过圆管表面小通孔所形成微凸结构表面的曲率，也即能够根据流动压强情况进行实时变化，能够跟踪流动的状态，具有较好的自适应功能；而且，薄膜透过圆管外表面小通孔形成的微凸结构，改变了圆管的声学特征阻抗，增大了管壁的衰减系数，从而有利于降低水动力噪声；薄膜透过圆管的小通孔形成的微凸结构改变了圆管内的流动状态，使得流动经圆管喷出后，边界层分离以湍流分离为主，由于湍流边界层分离产生的噪声要比层流边界层分离产生的噪声小，更进一步地减小了圆管导流之后所产生的射流噪声。

附图说明

图1为一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置的示意图；

图2为套管横剖面的示意图；

图3为套管端面的示意图；

图4为加压器的示意图；

图5为一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，包括圆管1、薄膜2、套管3、加压器4、压力表5、进入端压力传感器61和出流端压力传感器62；

其中，圆管1由不锈钢材料制成，管壁的厚度在1mm到3mm之间，在圆管1的表面按照4％的穿孔率，开设小通孔，小通孔的孔径在0.5到0.9mm之间；

薄膜2为PET硅胶膜，厚度0.02mm，采用实验方法测定其杨氏模量、密度和泊松比，并在Comsol多物理场软件中对薄膜2进行建模，分析薄膜2的拉伸性能等，得到薄膜2的表面张力系数；

套管3由不锈钢材料制成，为两个半圆柱壳构造，套管3的内径尺寸大于圆管1的外径尺寸，在半圆柱壳的外侧有第一法兰31、第二法兰32、第三法兰33和第四法兰34，在套管3两端的端面处开凹型槽311，并放置O型圈312，第一法兰与第二法兰通过螺栓37、螺母38以及硅胶垫39紧固连接，第三法兰与第四法兰通过螺栓35、螺母36以及硅胶垫310紧固连接，将两个半圆柱壳紧固在一起，与圆管1共轴心放置；

加压器4是由螺母41、螺杆42、活塞43、O型圈44和凹型槽45组成，主体为一个圆柱形气缸，在活塞43的外侧开设凹型槽45，内部放置O型圈44，通过旋转螺杆42可使活塞43在圆柱形筒内进行升降运动，实现对套管3与圆管1的外表面组成的封闭系统进行压强调节；

压力表5为实验室高精度精密数字压力表，型号JDC600，测量精度0.02级，用于监测套管3与圆管1外表面组成的封闭系统内的压强变化情况；

压力传感器为小型压力传感器，型号AE-S，受压面直径为2.54mm，在圆管1的进流端放置压力传感器61，在圆管1的出流端放置压力传感器62，用于监测圆管1在进流端和出流端处流体的压强；

薄膜2的厚度极薄，可近似看做是均匀介质，由Comsol软件计算得到的表面张力，并与SEM(扫描电镜)的测量结果进行比较验证，得到其表面张力系数为0.052N/m，按照杨-拉普拉斯(Young-Laplace)公式：

可求得当需要薄膜2透过圆管1的小通孔，若形成直径为0.5mm的微凸结构时，需要施加208Pa压强，若形成曲率半径为2mm时，需要施加52Pa压强；若要形成其它曲率的微凸结构，可以根据超疏水涂层中的曲率半径及接触角的定义公式进行计算。

薄膜2的撕裂强度为6kN/m，若以形成直径0.5mm的微凸结构进行撕裂时，需要施加24MPa的压强，因此，加压器4设计的结构不致于使薄膜2被撕裂。

根据圆管1进流端的压力传感器61测量的流动压强，其值为10500Pa，圆管1出流端的压力传感器62测量的流动压强，其值为10498Pa，因此，可对该两处的压强进行平均，也即线性插值，得到压强值为10499Pa，即圆管1内表面小通孔处的压强为10499Pa。

一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制方法，其步骤如下：

第一步，根据圆管1进流端的压力传感器61和出流端的压力传感器62所测量的流体压强，采用线性插值的方法得到圆管1内流体的压强；

第二步，根据薄膜2的表面张力系数和需要形成微凸结构的曲率半径，通过公式(1)计算得到薄膜2表面需要施加的压强；

第三步，调整加压器4中的螺杆42，使得活塞43在气缸内运动，使加压器4的压强值等于薄膜2表面的压强和圆管1内表面小通孔11处流动的压强之和。

若圆管1进流端内表面的压力传感器61和圆管1出流端内表面的压力传感器62的压强数据差别较大，可进行分段处理：将圆管1分成若干段，每段皆由薄膜2、套管3、加压器4、压力表5和压力传感器6组成。

Claims (6)

1.一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，其特征在于：包括圆管(1)、薄膜(2)、套管(3)、加压器(4)、压力表(5)、进流端压力传感器(61)、出流端压力传感器(62)；

其中，圆管表面开设小通孔(11)，薄膜贴敷在圆管的外表面，套管与圆管同轴心放置，与圆管的外表面组成封闭系统，加压器位于套管的外侧，压力表位于套管的外侧，压力传感器位于圆管进流端和出流端的内表面；

套管由两个半圆柱壳组成，在套管的端面有凹型槽(311)，在凹型槽内放置密封圈(312)；在套管外侧有第一法兰(31)、第二法兰(32)、第三法兰(33)和第四法兰(34)，第一法兰与第二法兰通过螺栓(37)、螺母(38)以及硅胶垫(39)紧固连接，第三法兰与第四法兰通过螺栓(35)、螺母(36)以及硅胶垫(310)紧固连接；

加压器由螺母(41)、螺杆(42)、活塞(43)和气缸组成，活塞上开设凹型槽(45)，凹型槽内放置O型圈(44)；

在圆管的进流端放置进流端压力传感器(61)，在圆管的出流端放置出流端压力传感器(62)。

2.根据权利要求1所述的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，其特征在于：圆管由不锈钢材料制成，管壁的厚度在1mm到3mm之间，在圆管的表面按照4％的穿孔率，开设小通孔，小通孔的孔径在0.5到0.9mm之间。

3.根据权利要求1所述的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，其特征在于：薄膜为PET硅胶膜，厚度0.02mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，其特征在于：压力表为实验室高精度精密数字压力表，型号JDC600，测量精度0.02级。

5.根据权利要求1所述的一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置，其特征在于：压力传感器为小型压力传感器，型号AE-S，受压面直径为2.54mm。

6.一种具有消声功能的低阻力自适应吸流控制方法，具有消声功能的低阻力自适应吸流控制装置包括圆管(1)、薄膜(2)、套管(3)、加压器(4)、压力表(5)、进流端压力传感器(61)、出流端压力传感器(62)、小通孔(11)、套管的端面凹型槽(311)、密封圈(312)、螺母(41)、螺杆(42)、活塞(43)、气缸；其中，圆管表面开设小通孔(11)，薄膜贴敷在圆管的外表面，套管与圆管同轴心放置，与圆管的外表面组成封闭系统，加压器位于套管的外侧，压力表位于套管的外侧，压力传感器位于圆管进流端和出流端的内表面；套管由两个半圆柱壳组成，在套管的端面有凹型槽(311)，在凹型槽内放置密封圈(312)；在套管外侧有第一法兰(31)、第二法兰(32)、第三法兰(33)和第四法兰(34)，第一法兰与第二法兰通过螺栓(37)、螺母(38)以及硅胶垫(39)紧固连接，第三法兰与第四法兰通过螺栓(35)、螺母(36)以及硅胶垫(310)紧固连接；加压器由螺母(41)、螺杆(42)、活塞(43)和气缸组成，活塞上开设凹型槽(45)，凹型槽内放置O型圈(44)；在圆管的进流端放置进流端压力传感器(61)，在圆管的出流端放置出流端压力传感器(62)；其特征在于，具体步骤如下：

第一步，根据圆管进流端的压力传感器和出流端的压力传感器所测量的流体压强，采用线性插值的方法得到圆管内流体的压强；

第二步，根据薄膜的表面张力系数和需要形成微凸结构的曲率半径，通过如下公式计算得到薄膜表面需要施加的压强

第三步，调整加压器中的螺杆，使得活塞在气缸内运动，使加压器的压强值等于薄膜表面的压强和圆管内表面小通孔处流动的压强之和。

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