一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置及方法

本发明涉及一种水下脉动压力控制装置及方法，属于声学测量。

背景技术：

1、水下航行体在航行过程中，表面流动由层流转捩为湍流，产生了湍流脉动压力。湍流脉动压力不仅是流噪声的重要成分，而且还是流激噪声的直接力源，剧烈的压力波动将产生极高水平的水动力噪声，严重影响了水下航行体的声隐身性能以及声呐系统的整体探测性能。以往的研究提出了多种控制方法用于控制湍流脉动压力，其中自适应吸流、射流式涡流发生器、合成射流、电磁力和壁面加热等主动控制技术可向边界层中注入能量，并且可以根据实际需要动态调整参数，具有更好的控制效果，成为了研究的热点。

2、舰船在航行过程中，会产生大量的废热，对海洋环境造成严重的热污染。因此，可利用舰船产生的废热进行壁面加热，减小水下航行器的脉动压力。壁面加热控制技术是一种利用热量进行流场控制的技术，当壁面和来流存在温差时，会形成类似速度边界层的热边界层，而水的黏性系数会随着温度的升高而逐渐减小。研究发现，壁面加热可延迟边界层的转捩，进而减小舰船的阻力。然而，目前壁面加热控制仅限于对阻力的控制，尚未有对湍流脉动压力控制的研究报道。

3、此外，目前公开发表的文献当中，加热壁面与来流的温差均较小。一般来说，温度每升高一度，水的黏性系数将降低2％左右，当壁面加热的温度较小时，温度对流场脉动特性的影响并不显著，无法体现对湍流脉动压力的控制效果。因此需要解决在高速对流换热环境下实现高效大温差升温问题，为壁面加热控制湍流脉动压力提供工程实现基础。

4、因此，亟需提出一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决水下航行体在航行时壁面会产生较大的湍流脉动压力，并因此产生很大的辐射噪声和内部自噪声的问题，提供一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，包括进口端水管、管道加热器、水泵、流量计、出口端水管、热交换腔、温度传感器、脉动压力传感器、排气口和注水口，进口端水管、管道加热器、水泵、流量计、出口端水管、热交换腔顺次循环连接，热交换腔的内部安装温度传感器，热交换腔具有模型加热面，模型加热面分别安装温度传感器和脉动压力传感器，进口端水管上分别开有排气口和注水口。

4、优选的：所述热交换腔的模型加热面为薄铝合金材质制成，热交换腔的其他面贴防水保温棉，热交换腔的上表面开孔，用于安装探头式温度传感器，热交换腔的模型加热面加工有螺纹孔，用于安装螺钉式温度传感器和脉动压力传感器。

5、优选的：还包括加热水进口和加热水出口，管道加热器具有加热水进口、加热水出口，进口端水管通过加热水进口与管道加热器连接，管道加热器通过加热水出口与水泵连接。

6、优选的：进口端水管和出口端水管为不锈钢波纹管，排气口和注水口末端各安装有球阀。

7、优选的：水泵为自吸增压泵。

8、优选的：流量计为电磁流量计。

9、一种基于壁面加热的水下脉动压力控制方法，包括以下步骤：

10、s1:注水排除空气；

11、s2:记录未加热时的湍流脉动压力数据、模型加热面温度和水温；

12、s3:加热并使水循环流动；

13、s4:记录加热过程中的稳定温度时模型加热面温度和水温；

14、s5:记录加热到达指定温度时的湍流脉动压力数据、模型加热面温度和水温。

15、优选的：s1中，将模型加热面通过螺栓固定在热交换腔的底部，通过注水口向循环加热系统注入水，并将空气通过排气口排出；

16、s2中，根据脉动压力传感器的示数，记录未加热时的湍流脉动压力数据，通过温度传感器的示数，记录未加热时的壁面温度和水温；

17、s3中，开启管道加热器，加热管道加热器内的水，开启水泵，通过流量计示数调节水泵输出压力从而调整循环加热系统的循环流速，使循环加热系统中的水缓慢的循环流动；

18、s4中，根据热交换腔中温度传感器显示的数据，得到循环加热系统中的水和模型加热面的温度，在管道加热器的作用下，循环加热系统内的水将逐渐趋于一个稳定温度；

19、s5中，加大管道加热器的功率使热交换腔内的水达到指定温度，根据温度传感器的示数，记录下加热时的壁面温度和水温，根据脉动压力传感器的示数，记录下加热时的湍流脉动压力数据。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1.循环加热系统将热水不断流经热交换腔，通过热对流和热传导加热壁面，相比于传统的射流式涡流发生器、自适应吸流等方法，模型加热面上不存在开口和表面形状变化，对待控制流场不会产生额外的影响，对辐射噪声具有更好的控制效果。

22、2.壁面加热过程中，循环加热系统中的水温不会超过一百度，不会因为水沸腾产生气泡破裂的噪声，而加热需要通电才会产生热声效应，因此壁面加热的过程中不会产生额外的噪声干扰。

23、3.根据经典的流动传热边界层理论，当壁面加热使得壁面和来流存在温差时，在壁面附近会形成类似速度边界层的温度边界层，壁面加热只会在壁面附近很小范围内散发热量，也就是说壁面加热控制只会影响壁面附近的温度，不会引起额外的热污染。

24、4.壁面加热可以充分利用舰船上的废热用于控制航行中的湍流脉动压力，又可达到降温的目的，提高舰船内环境的舒适性，节能环保。

技术特征：

1.一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：包括进口端水管(1)、管道加热器(3)、水泵(5)、流量计(6)、出口端水管(7)、热交换腔(8)、温度传感器(9)、脉动压力传感器(10)、排气口(11)和注水口(12)，进口端水管(1)、管道加热器(3)、水泵(5)、流量计(6)、出口端水管(7)、热交换腔(8)顺次循环连接，热交换腔(8)的内部安装温度传感器(9)，热交换腔(8)具有模型加热面(14)，模型加热面(14)分别安装温度传感器(9)和脉动压力传感器(10)，进口端水管(1)上分别开有排气口(11)和注水口(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：所述热交换腔(8)的模型加热面(14)为薄铝合金材质制成，热交换腔(8)的其他面贴防水保温棉(13)，热交换腔(8)的上表面开孔，用于安装探头式温度传感器(9)，热交换腔(8)的模型加热面(14)加工有螺纹孔，用于安装螺钉式温度传感器(9)和脉动压力传感器(10)。

3.根据权利要求1所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：还包括加热水进口(2)和加热水出口(4)，管道加热器(3)具有加热水进口(2)、加热水出口(4)，进口端水管(1)通过加热水进口(2)与管道加热器(3)连接，管道加热器(3)通过加热水出口(4)与水泵(5)连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：进口端水管(1)和出口端水管(7)为不锈钢波纹管，排气口(11)和注水口(12)末端各安装有球阀(15)。

5.根据权利要求1所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：水泵(5)为自吸增压泵。

6.根据权利要求1所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，其特征在于：流量计(6)为电磁流量计。

7.一种基于壁面加热的水下脉动压力控制方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于壁面加热的水下脉动压力控制方法，其特征在于：s1中，将模型加热面(14)通过螺栓固定在热交换腔(8)的底部，通过注水口(12)向循环加热系统注入水，并将空气通过排气口(11)排出；

技术总结
本发明涉及一种基于壁面加热的水下脉动压力控制装置及方法，属于声学测量技术领域。解决水下航行体在航行时壁面会产生较大的湍流脉动压力，并因此产生很大的辐射噪声和内部自噪声的问题。包括进口端水管、管道加热器、水泵、流量计、出口端水管、热交换腔、温度传感器、脉动压力传感器、排气口和注水口，进口端水管、管道加热器、水泵、流量计、出口端水管、热交换腔顺次循环连接，热交换腔的内部安装温度传感器，热交换腔具有模型加热面，模型加热面分别安装温度传感器和脉动压力传感器，进口端水管上分别开有排气口和注水口。壁面加热的过程中不会产生额外的噪声干扰。

技术研发人员：刘文博,刘永伟,商德江,秦麒凯,牛晨
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16