泵喷噪声

这是一个关于泵喷噪声的思维导图，泵喷推进器是一种特殊的泵类推进器。它由管道内的叶轮和导叶共同作用,在喷口产生射流,以低噪声(声隐身性)作为第一设计目标的船舶推进器。

泵喷噪声的产生机理与特性

• 泵喷推进器简介
  • 泵喷推进器是一种特殊的泵类推进器。它由管道内的叶轮和导叶共同作用,在喷口产生射流,以低噪声(声隐身性)作为第一设计目标的船舶推进器。
  • 与传统的7叶大侧斜螺旋桨相比,泵喷推进器的效率更高、性噪比更高
  • 泵喷推进器最早应用于鱼雷,其结构采用前置叶轮、后置导叶的设计。这种结构可以降低叶轮上的负载、避免空化、降低噪声。鱼雷泵喷推进器通常采用11个旋转叶轮和13个静止导叶,明显比其他应用案例中的更多。
  • 美国早期设计的潜艇泵喷推进器也采用前置叶轮、后置导叶的水力结构,并在进流处设有导管支撑架,以支撑笨重的导管。
• 泵喷推进器的结构与特性
  • 潜艇泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。
    • 环状导管
      • 剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。
      • 采用具有吸声和减振的材料制造，则可以屏蔽转子及内流道产生的噪声。
        • 为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声，通常采用能降低转子入流速度的减速型导管。
    • 定子
      • 一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子入流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管
    • 转子
      • 类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。
  • 根据转子和定子的前后位置分为两类
    • 前置定子式
      • 定子布置在转子的前面
      • 定子可以使潜艇尾部流入转子的水流产生预旋，起到均匀来流的作用、改善转子的进流条件，从而提高潜艇的推进效率、降低推进装置的噪声
      • 转子的推进效率稍低
      • 潜艇上大多采用“前置定子式”泵喷推进器
    • 后置定子式
      • 定子布置在转子的后面
      • 定子可以回收转子尾流中的部分旋转能量，转子的推进效率相对较高
      • 噪声稍高
      • 鱼雷上则采用“后置定子式”泵喷推进器
• 泵喷推进器的噪声
  • 产生因素
    • 叶片表面压力分布
    • 叶片尖端附近的流动损失
    • 转子和定子之间的干涉
    • 转子叶片表面的流动特性
  • 分类
    • 流动噪声:由于湍流脉动、扰动以及空化气核溃灭引起的流动噪声，在种类归纳上对应水动力学部分,称水动力噪声
      • 声源的类型
        • 空核产灭的点声源 单极子噪声
        • 大多运动固体面 偶极子噪声
        • 涡流的 四极子噪声
      • 分析 流体流动的模拟仿真公式
        • 声类比法
          • 一般的 FW-H 公式
    • 结构诱导噪声:由于激振力导致结构振动增加而产生的噪声
      • 流动声振的相互作用
      • 分析 大多采用流固耦合的方法研究,声学方面以边界元法最常见
        • 对流动与固体表面进行分析,得到表面的压力分布规律后,通过有限元计算达到预测诱导噪声的目标。
  • 仿真模拟计算
  • 结构降低辐射噪声
    • 泵喷推进器的转子在导管内部，导管可起到屏蔽和吸声的作用
    • 位于前方的定子可以使转子进流场更均匀，从而减少转子的脉动力，降低推进器的线谱辐射噪声
    • 泵喷推进器旋转叶轮（转子）的直径一般小于螺旋桨，在相同转速下，泵喷推进器桨叶的旋转线速度较低，可以降低推进器的旋转噪声。
    • 低航速下，泵喷推进器的低频线谱噪声比七叶大侧斜螺旋桨小15分贝以上，宽带谱声级总噪声下降10分贝以上；高航速下，泵喷推进器的降噪效果更为明显。
• 空化现象对泵喷推进器的噪声性能有重要影响
  • 尾涡空化会导致空化核的生成,进而增加空化噪声,影响舰艇的隐蔽性
  • 间隙流动的增加会造成效率的二次下降,并且尾涡强度的增强会进一步导致空化
• 泵喷推进器的噪声预测
  • Lighthill声类比法,将流体噪声源分为单极子、偶极子和四极子噪声
  • 边界元法与扇声源模型相结合的方法,分别研究定子和转子的噪声
• 总结
  • 由于泵喷推进器的流动特征尺度和声扰动特征尺度差异较大,数值模拟中的微小误差可能导致近场噪声预测存在较大偏差。因此,如何避免近场区域噪声预测误差过大仍需进一步研究。