CN113236877B

CN113236877B - 一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置

Info

Publication number: CN113236877B
Application number: CN202110701599.1A
Authority: CN
Inventors: 刘永伟; 周文林; 冯宝铭; 王璐; 周志豪; 董皓辰; 王思贤; 郑朋辉; 商德江
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2041-06-24
Also published as: CN113236877A

Abstract

本发明提供一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，包括多层圆柱壳、阻尼条、小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子、滑道、摇曳轴、扑翼，阻尼条贴敷在在多层圆柱壳的内表面，小粒径消声粒子填充在多层圆柱壳内，减振粒子填充在多层圆柱壳内，大粒径消声粒子填充在多层圆柱壳内，滑道安装在多层圆柱壳的外表面，摇曳轴的一端在滑道内，摇曳轴的另一端安装扑翼；该海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，利用多层圆柱壳和阻尼条以及充填小粒径消声粒子、减振粒子和大粒径消声粒子对海洋管道的流激噪声进行抑制，利用滑道、摇曳轴和扑翼对海洋管道的涡激噪声进行抑制，能大幅降低海洋管道的流激噪声和涡激噪声，达到海洋安静化的目的。

Description

一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置

技术领域

本发明涉及一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，属于声学测量领域。

背景技术

目前，在输送油气的过程中，海洋管道会受到内部油流、气流及多相介质的激励作用，进而产生辐射噪声；海洋管道放置在海底或竖立于海洋之中时，会受到洋流的激励作用，从海洋管道表面形成涡发放，如果是在稳定洋流的作用下，涡旋会周期性地从海洋管道表面脱落，激励海洋管道产生涡激噪声，特别是当脱落涡满足卡门涡条件时，涡激噪声很强，此时涡旋周期性脱落也会对海洋管道造成拉力破坏。但是，海洋管道的流激噪声和涡激噪声在过去常被忽视。海洋管道的流激噪声和涡激噪声对海洋生态的影响，特别是对大型鱼类生活习性的影响成为研究的热点。随着人类对海洋探测能力的提高，水下航行器、UUV等经常到达海洋管道附近。由于水下航行器、 UUV等皆以声波为主要的探测方式，因此，海洋管道的流激噪声和涡激噪声将是这些航行器的背景噪声干扰，严重干扰此类航行器的导航和探测能力。

此外，由于海洋管道在深海中受到巨大静水压力的作用，使得海洋管道的等效刚度会增大，声辐射会增强，因此，在深海环境中海洋管道所产生的流激噪声和涡激噪声一定是水下航行器、UUV等的强背景干扰，如何减少其背景噪声将是需要研究的关键问题。然而，以往对海洋管道的研究，多以其输油过程中的结蜡、管线腐蚀以及管道断裂等为主要研究方向，极少开展海洋管道流激噪声和涡激噪声特性的研究，并且针对抑制海洋管道流激噪声和涡激噪声的技术研究更少。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置。

本发明的目的是这样实现的：包括多层圆柱壳、阻尼条、小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子、滑道、摇曳轴、扑翼，阻尼条贴敷在多层圆柱壳的内，小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子分别填充在多层圆柱壳内，滑道安装在多层圆柱壳的外表面，摇曳轴的一端在滑道内，摇曳轴的另一端安装扑翼。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.多层圆柱壳为中空结构，两端有顶盖和底盖封闭，从内向外依次分为第一层、第二层、第三层、第四层，其中第一层的内表面光滑、外表面为凹凸结构，第二层至第四层的内外表面均为光滑表面，在第四层的外表面有滑道。

2.阻尼条为高弹性橡胶，贴敷在多层圆柱壳第一层外表面的凹凸结构上。

3.小粒径消声粒子填充在第一层和第二层之间；减振粒子填充在第二层和第三层之间；大粒径消声粒子填充在第三层和第四层之间。

4.滑道内开槽，槽内放置钢珠；摇曳轴包括第一大球、第二大球、连接杆，第一大球、第二大球内部开孔，连接杆的两端为球状，连接杆的杆身均匀嵌入滚珠，连接杆的两端分别设置在对应的大球开孔中，扑翼安装在第二大球外面。

5.滑道内开槽，槽内放置钢珠；摇曳轴包括第一大球、第二大球、连接杆，第一大球、第二大球内部开孔，连接杆的两端为球状，连接杆的杆身均匀嵌入滚珠，连接杆的两端分别设置在对应的大球开孔中，扑翼安装在第二大球外面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，多层圆柱壳、阻尼条、小粒径消声粒子、减振粒子和大粒径消声粒子组成了多维多重“质量-弹簧”结构，该结构包覆在海洋管道的外表面，可很好地消耗海洋管道的流激噪声；其次，阻尼条与多层圆柱壳的第一层组成了变截面阻尼声传输介质，可很好地消耗沿多层圆柱壳内表面传输的声波；从次，多层圆柱壳中第一层和第二层之间填充的小粒径消声粒子，组成了很好的高频消声覆盖层，当海洋管道的高频振动传输至这些小粒径消声粒子时，若高频振动幅度大，小粒径消声粒子将相互分开，形成库仑阻尼的消声介质，若高频振动幅度小，小粒径消声粒子之间会相互摩擦，组成接触面阻尼的消声介质；再次，多层圆柱壳中第二层和第三层之间填充减振粒子，组成了很好的振动衰减器，可消耗海洋管道因流动激励而产生的振动效应；最后，多层圆柱壳中第三层和第四层之间填充的大粒径消声粒子，组成了很好的低频消声覆盖层，海洋管道因流激作用产生的低频声波经减振粒子后传输至大粒径消声粒子时，若低频声波幅度大，大粒径消声粒子将相互分开，组成库仑阻尼的消声介质，若低频振动幅度小，大粒径消声粒子之间会相互摩擦，组成接触面阻尼的消声介质，可以很好地消耗低频声波。

本发明的有益之处还在于：首先，在多层圆柱壳的外表面有安装滑道，滑道内安装摇曳轴，在摇曳轴的一端安装扑翼，扑翼会在来流的作用下进行振荡运动，消耗来流中的能量，特别是海洋管道涡的发放满足卡门涡街条件时，扑翼的振荡运动会形成反卡门涡街运动，可以消除卡门涡街，从而大幅降低海洋管道的涡激噪声；其次，多层圆柱壳外表面的滑道、摇曳轴和扑翼的构成方式，可使得扑翼随着来流的方向进行自动调整，避免海洋管道带来额外的阻力，具有较好的自适应性能；再次，该海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置是一种被动的噪声控制技术，不引入额外的噪声干扰；最后，该海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置的噪声控制性能，可随着多层圆柱壳外半径、层数、小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子、扑翼宽度和长度以及扑翼的构型等进行优化，达到所需要的控制目标。

附图说明

图1为一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置的横剖面示意图；

图2为多层圆柱壳纵剖面示意图；

图3为滑道的结构示意图；

图4为连接杆的示意图；

其中，10为海洋管道、1为多层圆柱壳、2为阻尼条、3为小粒径消声粒子、4为减振粒子、5为大粒径消声粒子、6为滑道、7为摇曳轴、8为扑翼，11为第一层、111为凸出部分、 12为第二层、13为第三层、14为第四层、15为顶盖、16为底盖、61为滚珠、62为滚珠、 63为滚珠、71为第一大球、72为第二大球、73为连接杆、74为头部、75为尾部、731为滚珠。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，包括多层圆柱壳1、阻尼条2、小粒径消声粒子3、减振粒子4、大粒径消声粒子5、滑道6、摇曳轴7、扑翼8，阻尼条2贴敷在多层圆柱壳1内，小粒径消声粒子3填充在多层圆柱壳1内，减振粒子4填充在多层圆柱壳1内，大粒径消声粒子5填充在多层圆柱壳1内，滑道6安装在多层圆柱壳1的最外层，摇曳轴7一端安装在滑道6内，摇曳轴7的另一端安装扑翼8。

多层圆柱壳为中空结构，两端封闭，从内向外依次分为第一层、第二层、第三层、第四层，其中第一层的外表面为凹凸结构，第二层为光滑表面，第三层为光滑表面，第四层为光滑表面，在第四层的外表面有滑道；也即多层圆柱壳1由第一层11、第二层12、第三层13、第四层14、顶盖15和底盖16构成，第一层11为中空圆柱壳构造，第一层11的内表面光滑，第一层11的内径与海洋管道10的外径相等，第一层11的外表面由凸出部分111间隔构成，第二层12为中空圆柱壳构造，第二层12的内外表面皆为光滑表面，第三层13为中空圆柱壳构造，第三层13的内外表面皆为光滑表面，第四层14为中空圆柱壳构造，第四层14的内外表面皆为光滑表面，在第四层14的外表面安装有滑道6，第一层11的外径小于第二层12的内径，第一层11的长度与第二层12的长度相等，第二层12的外径小于第三层13的内径，第二层12的长度与第三层13的长度相等，第三层13的外径小于第四层14的内径，第三层 13的长度与第四层14的长度相等，顶盖15为中空的圆片，顶盖15的内径与海洋管道10的外径相等，顶盖15的外径略大于第四层14的外径，顶盖15的内外表面皆为光滑表面，底盖 16为中空的圆片，底盖16的内径与海洋管道10的外径相等，底盖16的外径略大于第四层 14的外径，底盖16的内外表面皆为光滑表面，第一层11、凸出部分111、第二层12、第三层13、第四层14、顶盖15和底盖16均由不锈钢制成，凸出部分111周期性间隔地焊接在第一层11的外表面，以底盖16作为底面，第一层11、第二层12、第三层13、第四层14同轴焊接在底盖16上，阻尼条2贴敷在第一层11外表面由凸出部分111间隔而形成的凹面内，阻尼条2的厚度与凸出部分111的厚度相等，小粒径消声粒子3填充在第一层11和第二层12 形成的夹层内，减振粒子4填充在第二层12和第三层13形成的夹层内，大粒径消声粒子5 填充在第三层13和第四层14形成的夹层内，然后，将顶盖15与第一层11、第二层12、第三层13、第四层14同轴放置，进行焊接，组成封闭的多层圆柱壳结构。

阻尼条为高弹性橡胶，贴敷在多层圆柱壳第一层的凹面处；阻尼条2由硅橡胶制成的，采用环氧树脂胶粘在第一层11外表面的凹面处，并采用裁剪技术保证阻尼层2的厚度与第一层11外表面凸出部分111的厚度相等。

小粒径消声粒子3由硅橡胶制成，球形粒子的直径约为8mm，填充在第一层11和第二层12形成的夹层内。

减振粒子4是铅制的球形粒子，粒子的直径约为10mm，填充在第二层12和第三层13形成的夹层内。

大粒径消声粒子5由硅橡胶制成，球形粒子的直径约为20mm，填充在第三层13和第四层14形成的夹层内。

滑道内开槽，槽内放置钢珠；滑道6是圆环形结构，滑道6的内径与多层圆柱壳1的第四层14外径相等，由不锈钢制成，采用焊接方式将滑道6焊接在第四层14的外表面，在滑道6内安装有滚珠61、滚珠62和滚珠63，滚珠61、滚珠62和滚珠63可确保摇曳轴7的第一大球71在滑道6内自由滑动。

摇曳轴7是由第一大球71、第二大球72、连接杆73、头部74、尾部75构成，第一大球71、第二大球72、连接杆73均由不锈钢材质制成，头部74和尾部75均由高密度聚氨酯制成，第一大球71的内部空心，在第一大球71的一侧开孔，第二大球72的内部空心，在第二大球72的一侧开孔，连接杆73是细长圆柱体，在圆柱体的表面嵌入滚珠731，连接杆73的一端粘接头部74，连接杆73的另一端粘接尾部75，连接杆的一端放置在第一大球的内部，连接杆的另一端放置在第二大球的内部；连接杆73可在第一大球71的开孔和第二大球72的开孔之间灵活移动。

扑翼安装在第二大球外面；扑翼8的线型为NACA4312弯翼型，由低密度的聚氨酯制成，在来流的作用下，可随来流起伏运动，用于储存和耗散流场中的能量，对圆柱绕流形成的卡门涡街现象进行抑制，减弱涡脱落对海洋管道10造成的拉力，抑制涡激噪声。

海洋管道10是多层复合结构，内层为钢骨架，外层为各种橡胶包覆层，外径尺寸约为230mm。

将制作的海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置固定在海洋管道10的外表面，经试验测试表明：当内部为水、流速为2.0m/s时、外部洋流速度为0.1m/s时，该海洋管道的流激噪声和涡激噪声的抑制装置可降低噪声的水平约为6.2dB，频率10Hz-5kHz。

综上，本发明包括多层圆柱壳、阻尼条、小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子、滑道、摇曳轴、扑翼，阻尼条贴敷在在多层圆柱壳的内表面，小粒径消声粒子填充在多层圆柱壳内，减振粒子填充在多层圆柱壳内，大粒径消声粒子填充在多层圆柱壳内，滑道安装在多层圆柱壳的外表面，摇曳轴的一端在滑道内，摇曳轴的另一端安装扑翼；该海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，利用多层圆柱壳和阻尼条以及充填小粒径消声粒子、减振粒子和大粒径消声粒子对海洋管道的流激噪声进行抑制，利用滑道、摇曳轴和扑翼对海洋管道的涡激噪声进行抑制，能大幅降低海洋管道的流激噪声和涡激噪声，达到海洋安静化的目的。

Claims

1.一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，其特征在于：包括多层圆柱壳、阻尼条、小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子、滑道、摇曳轴、扑翼，阻尼条贴敷在多层圆柱壳内，小粒径消声粒子、减振粒子、大粒径消声粒子分别填充在多层圆柱壳内，滑道安装在多层圆柱壳的外表面，摇曳轴的一端在滑道内，摇曳轴的另一端安装扑翼；滑道内开槽，槽内放置钢珠；摇曳轴包括第一大球、第二大球、连接杆，第一大球、第二大球内部开孔，连接杆的两端为球状，连接杆的杆身均匀嵌入滚珠，连接杆的两端分别设置在对应的大球开孔中，扑翼安装在第二大球外面。

2.根据权利要求1所述的一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，其特征在于：多层圆柱壳为中空结构，两端有顶盖和底盖封闭，从内向外依次分为第一层、第二层、第三层、第四层，其中第一层的内表面光滑、外表面为凹凸结构，第二层至第四层的内外表面均为光滑表面，在第四层的外表面有滑道。

3.根据权利要求2所述的一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，其特征在于：阻尼条为高弹性橡胶，贴敷在多层圆柱壳第一层外表面的凹凸结构上。

4.根据权利要求2或3所述的一种海洋管道流激噪声和涡激噪声的抑制装置，其特征在于：小粒径消声粒子填充在第一层和第二层之间；减振粒子填充在第二层和第三层之间；大粒径消声粒子填充在第三层和第四层之间。