一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法。

背景技术：

1、目前，翼型结构广泛存在于水下航行体中，翼型边界层在黏性的阻黏作用和逆压梯度的影响下发生分离，产生了大量的边界层分离涡，引发剧烈的速度和压力脉动。较大的湍流脉动压力不仅会产生流噪声，还会激励壳体结构产生高水平的流激噪声，对水下航行体的声隐身性能以及声呐系统的整体探测性能带来了很大的挑战。相较于不能适应复杂多变的海洋环境的被动流动控制技术，主动流动控制技术可控性更强，更适合应用于流激噪声控制。

2、水下射流可为翼型边界层注入动量，抵御边界层流动分离，缩减边界层分离涡尺度。然而，常规的射流源采用泵源激励，虽然可达到理想的射流速度，但泵源带来的周期脉动激励引入了额外的噪声，严重影响了控制效果，在水下流激噪声控制方面并不适用。一些射流装置利用重力驱动，虽然摆脱了驱动装置带来的线谱噪声，但是这些装置需要特定的高度差，射流速度也不能保持稳定，应用于实际工程的可能性不大，需要探索适合工程应用的射流装置。水的黏性系数与温度高度相关，温度每升高一度，水的黏性系数约降低2％。水下热射流可使壁面附近的水温升高，水的黏性系数显著减小，壁面剪切应力随之减小。在热射流温度效应作用下，湍流涡的猝发减少，流场的压力脉动不再剧烈。因此水下热射流不但为边界层注入了动量，而且其温度效应带来的加热效果可使流场进一步稳定，预计会取得更好的控制效果。

技术实现思路

1、本发明为解决水下翼型边界层流动分离将产生较高的流激噪声问题，提出了一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法。面对水下射流由泵源驱动时将产生额外的脉动力和噪声，由重力驱动时射流速度不稳定、工程实现难度大等难题，提供了一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法，解决上述问题采取的技术方案是：

2、本发明的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，由第一加热罐、第二加热罐、第一加热罐进水口、第二加热罐进水口、第一加热片、第二加热片、第一进流管、第二进流管、第一进流球阀、第二进流球阀、第一热射流罐、第二热射流罐、第一射流球阀、第二射流球阀、第一丝杠、第二丝杠、驱动电机、电机驱动控制器、射流管、流量计、温度传感器、活塞和保温层组成，第一加热罐通过第一进流管、第一进流球阀与第一热射流罐连接，第二加热罐通过第二进流管、第二进流球阀与第二热射流罐连接，第一热射流罐与第二热射流罐分别通过第一射流球阀和第二射流球阀与射流管连通，射流管的上部设有流量计和温度传感器，第一加热片和第二加热片分别设在第一加热罐和第二加热罐内，驱动电机输出端与第一丝杠和第二丝杠连接，驱动电机与电机驱动控制器连接，第一丝杠和第二丝杠的上方与活塞连接，第一加热罐和第二加热罐的罐壁外设有保温层。

3、一种控制水下翼型流激噪声的热射流的方法,该方法的步骤如下：

4、步骤一、向第一加热罐和第二加热罐内注水，将第一加热片和第二加热片接通电源，将第一加热罐和第二加热罐中的水加温至65～75度；

5、步骤二、关闭第一射流球阀和第二射流球阀，打开第一进流球阀和第二进流球阀，启动电机驱动控制器控制驱动电机由活塞将热水抽取至第一热射流罐和第二热射流罐内，当第一热射流罐和第二热射流罐中的热水达到喷射要求时，关闭第一进流球阀、第二进流球阀和第二射流球阀，开启第一射流球阀，驱动电机向前步进，将第一热射流罐中的热水射入射流管内并从水下翼型尾部射出，同时流量计读取相应的热射流速度，温度传感器读取相应的热射流温度；

6、步骤三、当第一热射流罐中的热水达不到喷射要求时，关闭第一射流球阀，打开第一进流球阀，给第一热射流罐补充热水，此时打开第二射流球阀，用第二热射流罐作为热射流源，驱动电机向前步进，将第二热射流罐中的热水射入射流管内并从水下翼型尾部射出，同时流量计读取相应的热射流速度，温度传感器读取相应的热射流温度，重复上述步骤实现不间断的热射流来控制水下翼型的流激噪声。

7、本发明的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法的有益效果是：一、水下射流源一般采用泵源驱动，在泵中桨叶的旋转过程中，会在轴频和叶频对应频率上产生脉动力和噪声，严重影响对水下翼型流激噪声的控制效果；采用重力驱动的射流速度不能保持恒定，并且需要一定的高度差才可实现，工程实用性不大。本发明中的热射流装置通过驱动电机驱动不锈钢丝杠恒速运动来实现水下热射流，在避免了增加额外的力源和噪声干扰的同时，也可以保证射流速度的稳定，预计将会有更好的控制效果；二、相较于一般的水下射流，本发明将水加热后才射出，可使水下翼型尾部区域的水温上升，不但利用了射流的动量效应为翼型尾部流动分离区补充了动能，延缓了流动分离的发生，减少了流动分离程度，而且还利用水温越高，黏性系数越低的特性，进一步地减小了壁面剪切应力和流场的脉动特性，使流场更加稳定。可利用舰船的废热，如发动机的冷却水来为装置提供热射流水源，在进一步降低流激噪声的基础上还可对废热进行再利用；三、分别布置了两套热射流的供应装置，并采用球阀开关的方式控制热射流的供应源，在一个热射流罐水源不足后可采用另一个热射流罐供应，并在此期间可给另一个热射流罐补充水源，这种设计保证了热射流源供应的稳定和不间断。该水下热射流装置采用丝杠连接的电机驱动，射流速度稳定且不会产生额外的脉动力和噪声干扰，射出的热射流不但给边界层补充动量并且利用温度改变水的黏性，可进一步稳定流场，有效的提高了附有翼型结构水下航行器的声隐身性能。

技术特征：

1.一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，它由第一加热罐、第二加热罐、第一加热罐进水口、第二加热罐进水口、第一加热片、第二加热片、第一进流管、第二进流管、第一进流球阀、第二进流球阀、第一热射流罐、第二热射流罐、第一射流球阀、第二射流球阀、第一丝杠、第二丝杠、驱动电机、电机驱动控制器、射流管、流量计、温度传感器、活塞和保温层组成，其特征在于：第一加热罐通过第一进流管、第一进流球阀与第一热射流罐连接，第二加热罐通过第二进流管、第二进流球阀与第二热射流罐连接，第一热射流罐与第二热射流罐分别通过第一射流球阀和第二射流球阀与射流管连通，射流管的上部设有流量计和温度传感器，第一加热片和第二加热片分别设在第一加热罐和第二加热罐内，驱动电机输出端与第一丝杠和第二丝杠连接，驱动电机与电机驱动控制器连接，第一丝杠和第二丝杠的上方与活塞连接，第一加热罐和第二加热罐的罐壁外设有保温层。

2.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的第一加热罐和第二加热罐采用不锈钢罐，在第一加热罐和第二加热罐罐体的右侧和左侧面开有螺纹口。

3.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的第一进流管和第二进流管为不锈钢波纹管，管径为50mm，长度为5m，第一进流管和第二进流管的输入端为高压快速接口与第一加热罐和第二加热罐连接，第一进流管和第二进流管的输出端与第一进流球阀和第二进流球阀通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的第一进流球阀和第二进流球阀材质为黄铜，尺寸为dn50，第一射流球阀和第二射流球阀也为铜制球阀，尺寸为dn40。

5.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的活塞采用铝合金活塞，配有耐高温密封圈，活塞的下端与第一丝杠和第二丝杠的上端螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的驱动电机采用直线大推力步进电机。

7.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的流量计采用电磁流量计，型号为dn40四氟衬里，两端通过法兰、螺栓与射流管紧固连接，中间采用橡胶垫片密封。

8.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的温度传感器采用电偶式温度传感器。

9.根据权利要求1所述的一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置，其特征在于：所述的保温层采用保温棉。

10.一种控制水下翼型流激噪声的热射流的方法,其特征在于：该方法的步骤如下：

技术总结
一种控制水下翼型流激噪声的热射流装置及方法，它涉及声学测量领域。它解决了传统流激噪声存在的问题。本发明的装置从进流端到出流端方向，由加热罐依次连接进流管、进流球阀、热射流罐、射流球阀，然后连入射流管，射流管的出口连接温度传感器和流量计，热射流罐的底部通过钢丝杠与驱动电机相连，驱动电机与电机驱动控制器连接,最终将水从水下翼型的尾缘区域射出。本发明的热射流不但给边界层补充动量并且利用温度改变水的黏性，可进一步稳定流场，有效提高附有翼型结构水下航行器的声隐身性能的优点。

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：2024/2/29