流水孔

潛艇流水孔是指開設在潛艇非耐壓非水密結構上，用於潛艇上浮下潛時供液體自由進出的開口。由於流體流經流水孔時，流場中的非定常性會產生各種尺度的旋渦及湍流引發的脈動，作用於艇體外表面導致壓力波動，破壞表面湍流附面層內的流動進而形成流噪聲，其對潛艇航行隱身性能產生一定的影響，降低了潛艇的隱蔽性，威脅潛艇的生存。中國船舶科學研究中心張楠 沈泓萃等針對潛艇流水孔結構精確仿真了流水孔的內外流場特性。上海交通大學付慧萍 等人採用美國國防高等研究計劃署DARPA 的潛艇模型SUBOFF 作為研究對象，研究了大渦仿真方法在潛艇流動噪聲數值計算中的作用。張楠等人的研究結果側重於單一形式流水孔內外流動特性的差異，而沒有探討多流水孔工況下特性。付慧萍等人的結論為潛艇流噪聲的研究提供了很好的預報方法，但是其研究重點側重於潛艇外流場繞流特性，而對於內外流場之間流體交換問題卻沒有涉及。

本文基於Fluent 軟件平台，利用大渦仿真技術計算潛艇流噪聲的優勢，對潛艇流水孔三維結構模型進行數值仿真，準確仿真了流水孔內外流場交換問題，通過對流水孔的數量、形狀，尺寸以及流動速度做變工況處理，分析了流水孔參數改變對潛艇流噪聲水平的影響，獲得了一定的流水孔流噪聲特性規律。 ^[1] 

以單流水孔為基礎，平板長300mm，寬100mm，前後流動域長度採用1 /2 板長，流動內腔為長300mm，寬100mm，高50mm 的長方體。流水孔形狀為邊長20mm 的正方形，與流動內腔成斜45° 角相連，內部流動深度為5mm。本文主要研究流體自入口進入流動域，經流水孔進入流動內腔，再回流至流動域，經出口流出的過程中流水孔的流噪聲特性。採用接口技術實現流水孔與流動域和流動內腔的連接，採用六面體結構化網格進行網格生成，總數為503000。在速度入口邊界指定流動的速度和湍流參數，在流動出口邊界指定流動的迴流湍流參數，壁面指定無滑移條件。為了更清晰的計算流水孔附近的阻力特性，設置邊界層，在壁面附近分佈較密的網格。本文設置2 個水聽器對流噪聲數據進行採集，用以有效檢測流水孔對平板流噪聲的影響。1#水聽器位於平板中心上方一倍流水孔厚度(5mm)的高度，用於監控流動域湍流噪聲。2#水聽器位於流水孔內部中心位置，用於監控流水孔內流動漩渦噪聲。

以單流水孔為計算模型，設定速度入口來流速度為5m / s，為了分析流水孔的存在對平板流噪聲特性的影響。由圖知，平板開孔前後噪聲分佈產生了明顯的變化，流水孔位置( 流水孔上表面中心位於座標原點) 處產生了較多的流噪聲特徵點，而且這些特徵點的聲功率峯值相對較高，説明流水孔的存在對流噪聲的產生具有重要的影響。平板開孔後兩處測點的流噪聲水平明顯提升。以流噪聲特徵點( 曲線峯值點) 為比較量，可知: 開孔後特徵點向低頻區轉移，説明流水孔模型對於平板流噪聲的影響，不僅體現在流噪聲數值的增加上，還體現在特徵點對應頻率上，開孔後其低頻特性將變得更加突出。為了更直觀地表示平板開孔前後流噪聲水平的變化，採用1 /3oct 濾波器採樣，引入總聲級作為比較量進行聲學分析，其中心頻率按國際標準化組織ISO 的推薦，選定為: (1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0)× 10，本文m = 2，3。平板開孔前後，因流水孔存在帶來的流噪聲改變佔有相當的比重，考慮到本文所選模型流水孔與平板面積之比為1:7.5，所以總聲級計算結果基本合理。對兩組水聽器數據進行比較可知，2#水聽器計算結果高於1#水聽器，這是由於1#水聽器位於湍流附面層外，這樣做可以有效地平均掉湍流噪聲壓力，降低水聽器對流噪聲的響應。而2#水聽器位於流水孔流動漩渦中心，由於流水孔內流動正負壓力不平衡的原因，其對流噪聲的響應較大，所以造成了兩種位置流噪聲數值上的差異。

針對流水孔的流噪聲特性，對單流水孔模型做四種來流速度(5m /s、10m /s、15m /s、20m /s)下的流噪聲特性對比，隨着來流速度的增大，流水孔模型流噪聲特性呈現出與來流速度成正比的普遍規律。而且，流噪聲曲線振盪現象更加明顯，説明速度對流噪聲的穩定性具有一定的影響。流水孔流噪聲與來流速度呈正比例關係，來流速度從10m /s 到20m /s 的過程中，流噪聲增加了10dB 左右。潛艇噪聲級與航速有關，當航速超過戰鬥巡航速度(7.5m / s)時，潛艇噪聲級與速度的6 次方成正比，也就意味着潛艇速度每增加一倍，噪聲級將增加18dB。考慮到潛艇噪聲包括機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲三部分，本文給出的流水孔噪聲僅為潛艇噪聲的一部分，結合潛艇噪聲其他影響因子，本文數據較為合理。 ^[1] 

針對不同流水孔形狀，對潛艇流噪聲特性影響進行統計，前提條件為流水孔面積相同，取形狀分別為正方形( 邊長 20mm)圓形(半徑11.287mm)、菱形(底角60°，邊長21.492 mm)以及長方形(40mm × 10mm)，對其在5m /s 來流速度下進行數值仿真比較。四種模型流噪聲水平歸為兩類:

1)正方形和圓形流水孔全頻段噪聲級水平居於160dB 以下，二者低頻段聲壓級峯值較為接近。不同點在於，圓形流水孔高頻段噪聲級略高於正方形流水孔，其整體流噪聲水平又略低於正方形流水孔。

2)菱形和長方形流水孔流噪聲水平較為接近，二者低頻段聲壓級峯值和高頻穩定段噪聲級水平均處於同一水平，所以可以認為二者流噪聲水平相近。

四種形狀流水孔在各測點的噪聲特性較為統一，整體呈現為正方形流水孔流噪聲最低 之後依次為圓形流水孔、菱形流水孔、長方形流水孔。這一規律與現在各國海軍潛艇流水孔普遍採用正方形作為制式標準相吻合，計算結果較為可信。 ^[1] 

針對流水孔尺寸對潛艇流噪聲特性的影響進行統計，以單流水孔為模型，以正方形流水孔 ( 邊長 20mm) 模型為基礎，維持流水孔寬度不變，改變流水孔長度，實現流水孔尺寸改變比例α = 0.5、1、2、4、8。在5m /s來流速度下進行數值仿真比較。流水孔尺寸顯著影響開孔平板流噪聲的水平，且隨着流水孔尺寸比例的增大，流噪聲呈現出先增大後減小的趨勢，在α = 2時達到最大，説明流水孔尺寸的改變對平板流噪聲的影響並不是單調變化的，而是存在一個峯值尺寸。將α = 2與其它四種比例時的情形進行對比可以看出:

1)尺寸減小時，整個頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越小，高頻帶降低的幅度越大。

2)尺寸增大時，整個頻率帶上的流噪聲均降低，且比例越大，低頻帶降低的幅度越大。

3)對比尺寸減小和增大時，噪聲整體水平的降低情況可以看出，尺寸減小引起的流噪聲較小。

單孔平板模型因流水孔與流動內腔相連，所以可以近似認為其為單孔吸聲結構。因流體流經平板表面時所產生的流噪聲在高頻帶為白噪聲 不同結構對白噪聲的吸聲頻率不同，本文對單孔平板模型作基於流水孔尺寸的改變，那麼不同的尺寸比例所對應的吸聲頻率也將有所不同。

另外，Liebermann從理論上證明了，離子弛豫機制和粘滯性將會導致水聲吸收係數與頻率的關係。根據流體力學的概念，流體在平板表面以及流水孔內部流動時會產生粘滯阻尼，不同尺寸的流水孔會產生不同的粘滯性，因此水聲吸收係數不同，從而會產生不同的流噪聲水平。

綜上所述可知: 在本文數值仿真前提下，流水孔尺寸比例α = 2時，對流噪聲的吸收頻帶最少，因此吸聲最少，總聲級最大。而減小尺寸比例可獲得較低的噪聲輻射水平。因此通過優化流水孔的尺寸，可以達到有效降低流噪聲水平的目的。 ^[1] 

針對流水孔數量對潛艇力學特性的影響進行統計，以單流水孔為研究模型，以正方形流水孔(邊長20mm)模型為基礎，改變平板模型流水孔開孔數量，實現流水孔數量N = 1、2、4、8，在5m /s 來流速度下進行數值仿真比較。由於流體流經流水孔產生的湍動漩渦以及壓力波動區域會造成流噪聲的不穩定，所以噪聲源的分佈在流水孔間分佈並不是簡單的疊加，而是呈現出一種相互干涉的現象: 位於中間位置的流水孔聲功率峯值最大，而後逐漸向兩側遞減，離速度入口以及流動出口最近的流水孔噪聲源聲功率峯值最小，整體趨勢為“拋物線”形狀。結論知，這可能是由於湍流附面層導致的湍流層流噪聲壓力未被有效平均，從而在多流水孔中，出現流噪聲在流水孔之間相對不平均的現象。

為了更直觀地顯示開孔平板流噪聲水平隨流水孔數量的變化率。由表可知:流水孔數量由1 增加到8 時，流噪聲增幅在13dB 以上，説明多孔結構流噪聲水平更高。整體而言，流噪聲水平與流水孔數量呈正比例關係。這説明流水孔數量對不同位置處的噪聲影響不同，這可以從流水孔縱剖面湍流分佈來分析。單流水孔中，流水孔內湍流漩渦較流動域壁面湍流活動更為激烈，所以 2#水聽器流噪聲數據較高。而對於 8 個流水孔，液體在流動內腔流動時逐漸衰減，即離速度入口最近的流水孔流動最激烈，然後逐級衰減。而對於流動域壁面流動來説，其規律正好相反。本文以潛艇流水孔為研究對象，通過改變流水孔模型參數，得出流水孔的流噪聲特性。結論如下:

1) 平板開孔後流水孔附近湍流活動增強，噪聲源分佈點增多，導致平板流噪聲整體水平的提升。

2) 流體流經正方形、圓形、菱形以及長方形四種流水孔時，流噪聲水平以正方形流水孔最低，而後是圓形流水孔，長方形流水孔最大。

3) 流水孔尺寸的改變對平板流噪聲的影響並不是單調的，而是存在一個峯值尺寸，該尺寸下噪聲級最高。本文結果為流水孔形狀、尺寸及數量的匹配設計和潛艇航行降噪研究提供參考，對於流水孔流噪聲特性的實驗驗證是下一步解決的問題。 ^[1]