有流状态下换热器噪声源特性的评估方法与流程

本发明涉及船舶声隐身，尤其是一种有流状态下换热器噪声源特性的评估方法。

背景技术：

1、换热器是船舶必不可少的冷却设备，船舶用换热器通常由壳体、换热管束、封头、折流板等结构组成。在换热器的工作过程中，其内部流体工况复杂，容易引起管束的振动，管束振动不仅会导致换热器疲劳失效，还会产生振动噪声并向外辐射。由于换热器安装在通海管路中，成为声传播的“高速公路”，换热器噪声极极易辐射入水中，严重影响船舶的声隐身性能。

2、现有技术中通常为换热器加装额外的消声装置，以消减换热器产生的噪声，而对换热器在有流状态下的噪声源特性评估分析较少，从而难以从换热器自身的结构设计上进行消声改善，无法从源头上消减换热器噪声。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种有流状态下换热器噪声源特性的评估方法，拟合得到无量纲化水动力与简约频率之间的工程经验公式，可以通过换热器的结构参数和工况参数得到换热器的水动力，从而可以计算得到换热器的水动力噪声和管束振动噪声的声功率，为换热器的低噪声结构设计提供理论指导，从源头上改善换热器的声学性能。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种有流状态下换热器噪声源特性的评估方法，包括如下操作步骤：

4、s1.建立有流状态下壳程流体的水动力数据库，数据库中包括管束作用力、换热器各个结构的结构参数、有流状态下的工况参数；

5、s2.采用归一化方法对数据库内的参数进行无量纲化表征；

6、s3.根据s2.中的无量纲化方法进行参数的通用化表征，拟合得到无量纲化管束作用力与管束的简约频率之间的工程经验公式，由(式1)表示：

7、

8、(式1)中，表示无量纲化管束作用力的功率谱密度，fr表示简约频率，由fr＝fd/vp计算得到，

9、f表示激励力频率，

10、d表示管束的直径，

11、vp表示管束间隙流速；

12、s4.将换热器的结构参数及工况参数代入(式1)中计算得到有流状态下壳程流体的水动力f2；

13、s5.将管束的结构参数及s4.得到的水动力f2作为管束振动响应模型的输入得到管束振动位移u2；

14、s6.使用声类比理论，搭建水动力噪声的数学模型，由(式2)表示：

15、

16、(式2)中，pah表示水动力辐射声压，

17、i表示虚数单位，

18、k0表示波数，

19、θ表示声压监测点在y1oy2平面投影与y2坐标轴的夹角，

20、φ表示声压监测点与y3坐标轴的夹角，

21、r表示声压监测点与噪声源之间的距离，

22、π表示圆周率，

23、f2表示有流状态下壳程流体的水动力，

24、y3表示管束长度方向上的积分单元，

25、l表示管束长度；

26、以及，管束振动辐射噪声的数学模型，由(式3)表示：

27、

28、(式3)中，pau表示管束振动辐射声压，

29、i表示虚数单位，

30、k0表示波数，

31、θ表示声压监测点在y1oy2平面投影与y2坐标轴的夹角，

32、φ表示声压监测点与y3坐标轴的夹角，

33、r表示声压监测点与噪声源之间的距离，

34、π表示圆周率，

35、ω表示角频率，

36、ρ0表示管束单位长度密度，

37、d表示管束直径，

38、u2表示管束振动位移，

39、l表示管束长度，

40、y3表示管束长度方向上的积分单元；

41、s7.将s4.得到的水动力f2代入(式2)中计算得到水动力噪声的声压pah；

42、将管束振动代入(式3)中计算得到管束振动辐射噪声的声压pau；

43、s8.根据s7.中计算得到的水动力噪声的声压pah与管束振动辐射噪声的声压pau推算两种声源成分的声功率，将水动力噪声的声压pah与管束振动辐射噪声的声压pau对应的声功率相加，得到换热器的噪声源特性。

44、作为上述技术方案的进一步改进：

45、s1.中，数据库中的管束作用力及工况参数通过设置相应的传感器测试采集得到。

46、s1.中，数据库中的换热器类型涉及多种型号。

47、s2.中，管束作用力采用无量纲功率谱密度的归一化方法，由下式变换得到：

48、

49、式中，表示无量纲化管束作用力的功率谱密度，

50、sf(f)表示管束作用力的自功率谱，

51、fr表示简约频率，由fr＝fd/vp计算得到，

52、f表示激励力频率，

53、d表示管束的直径，

54、vp表示管束间隙流速，由vp＝v∞p/(p-d)计算得到，v∞表示壳程流体的上游流速，p表示管束间距，

55、ρ表示壳程流体的密度，

56、λc表示相关长度，

57、le表示等效管束激励长度。

58、s5.中，管束振动响应模型由下式表示：

59、

60、式中，u2表示管束振动位移，

61、φ1表示归一化的管束一阶模态振型，

62、sf(f)表示管束作用力自功率谱，

63、a1为模态因子，

64、λc表示相关长度，

65、le表示等效管束激励长度，

66、π表示圆周率，

67、f1表示管束的1阶模态频率，

68、m1表示管束的模态质量，

69、ζ1表示管束的模态阻尼。

70、所述水动力噪声包括尾流波动的四极子体声源、流体脉动力偶极子声源，在低马赫数的情况下忽略四极子体声源。

71、本发明的有益效果如下：

72、本发明面向船舶冷却系统低噪声的设计需求，对换热器管束作用力数据库进行无量纲化表征，拟合得到管束作用力与工况参数之间的经验关系，在得到换热器流体水动力的基础上，分别计算水动力噪声以及管束振动辐射声两种声源成分，最后得到换热器噪声源特性，为换热器的低噪声结构设计提供理论指导，从源头上改善换热器的声学性能。

73、本发明通过完成对换热器有流状态下噪声源特性的定量评估，填补了相关领域的空白，可为船舶冷却系统的声学定量设计提供输入、指导换热器低噪声设计，对提高船舶声隐身性能具有积极意义。

74、本发明计算方法简单，通过输入换热器管束直径、管束间距、管束长度等结构参数以及壳程流体流速等工况参数，即可计算得到换热器的噪声源特性和换热器管束振动特性。

75、本发明计算结果准确性高，计算评估结果与实验测试结果偏差最大值为3.5％，且不同流速下的管内水声实验结果与计算结果的变化趋势一致，能够验证评估方法的可行性和准确性。

76、本发明通过对数据库内的各项参数进行无量纲化表征，可以消除不同型号换热器间的个体差异，增强数据库的适用性。

77、本发明数据库中涉及多种型号的换热器，数据量大、类型丰富。