基于喷水降温冷却的舷侧排气系统声学性能分析

钱卫忠 张新玉

（1.海装驻上海地区第八军事代表室 上海200011；2.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院 哈尔滨150001）

引 言

船舶舷侧排气是将排气管路与排气消声器均安装于舱室内部，使用横向布置的排气管路替代传统排气管路，并将排气出口布置于船舶舷侧的一种新型排气方法［1］。舷侧排气方法可降低在船舶运行时排气管路对环境的直接热辐射，在一定程度上提高了舰船的红外隐身性能，但是安装于舱室内的排气管路散发的热量将会对其周围设备或系统的正常运行造成影响［2］，因此采用冷却水喷淋冷却的方法可以在保证降低船舶对外红外辐射的同时保护舱室内部设备以及人员安全。对于喷淋冷却式舷侧排气系统，由于喷水降温后管路内温度急剧变化并且烟气成分变化为气液两相介质，势必会影响整个系统的声学性能。故本文将对冷却水喷淋冷却的舷侧排气消声系统的声学性能进行探究。

对于船舶动力装置的排气噪声及烟气温度的研究，柳贡民［3］等通过数值计算及试验探究了水喷淋冷却对排气消声器性能的影响，其研究结果证明了该方法在降低排气温度的同时一定程度上降低了排气噪声。李国祥［4］等对消声器进行CFD计算，分析了温度对消声器声学的影响。黄其柏［5］推导出了均匀流下穿孔管消声器在线性温度梯度分布时的传递函数，并进行了试验验证。陈一伟［6］等针对高温多相压力脉动介质下消声器的声学性能进行分析及试验探究。

舷侧排气系统从控制红外辐射和排气噪声两个方面进行设计，沿烟气流动方向其主要结构依此为主消声器、横向弯管、喷水管段与副消声器。为使排气出口排温降得更低，将冷却水喷淋装置安装于横向弯管之后的副消声器上游，并采取顺流喷淋的方法以降低排气阻力。采用主副消声器可以在使排气系统紧凑的同时，使用分级降噪的方法扩宽舷侧消声系统的消声频带，其中主消声器为阻抗复合结构，该结构针对高频噪声有较好的消声效果，副消声器采用抗性结构以抑制低频排气噪声。

图1 舷侧排气消声系统

1 理论背景

1.1 喷水降温机理

喷淋冷却式舷侧排气系统降温在数值模拟中为连续相介质中离散相换热蒸发的物理过程［7-10］。在CFD计算中，对于离散相。其颗粒类型通常分为三种：惯性颗粒、液滴、燃烧颗粒，如表1所示，不同颗粒类型具有不同的换热特征。

表1 离散相计算中的颗粒类型及各自换热特征

当液滴颗粒温度比蒸发温度Tvap低时，可以采用液滴颗粒加热或冷却定律：

式中：Tp为颗粒温度，K；mp，0为颗粒初始质量，kg；fv，0为颗粒中的挥发份；mp为颗粒当前质量，kg。

对于此种情形，颗粒温度 与颗粒表面的对流与辐射传热可用热平衡方程来进行关联：

式中：mp为颗粒质量，kg；cp为颗粒比热容；AP为颗粒表面积，m2；T∞为连续相当地温度，K；h为对流传热系数；εP为颗粒黑度（辐射率）；σ为斯蒂芬孙-玻尔兹曼常数；θR为辐射温度，K。

将式（3）化简，得：

引入变量αp，βp：

下一时刻液滴颗粒温度通过对上式积分得到：

式中： 为积分时间步长。

液滴蒸发时，液相往气相扩散与二者浓度相关：

式中：Ni为蒸汽的摩尔流率，kg·mol/m2·s；ki为传质系数，m/s；Ci，s为液滴表面的蒸汽浓度，kg·mol/m3；Ci，∞为气相主流的蒸汽浓度，kg·mol/ m3。

随着液滴蒸发，液滴消耗的质量为：

式中：Mw，i为不同流体成分的摩尔质量，kg/mol；mp为液滴质量，kg；AP为液滴表面积，m2。

离散相蒸发过程的热平衡方程式为：

式中：cp为液滴定压比热；TP为液滴温度，K；h为对流传热系数；T∞为连续相温度为蒸发速率，kg/s；hfg为汽化潜热，KJ/kg；εP为颗粒黑度；σ为斯蒂芬斯·玻尔兹曼常数；θR为辐射温度，K。

1.2 消声系统传递损失的计算

舷侧排气系统声学性能是通过Virtual Lab中声学有限元模块进行数值求解的。管道消声系统中声传播的控制方程为亥姆霍兹方程：

式中：k=ω/c为波数；c为声速，m/s；ω为角频率，rad/s。

对于亥姆霍兹方程，使用Galerkin加权残差法进行求解，首先将消声系统声学计算域进行离散，得到离散之后的声学控制方程：

式中：［P］和［M］为离散声学单元的刚度矩阵与惯性矩阵；｛p｝为各节点声压矢量；j为虚部单位；ρ为声学计算域流体的密度，kg/m3；｛F｝为各节点上受迫力向量。系统各节点的声压可对方程（12）进行求解得到。

管道消声系统的传递损失（TL）被定义为系统出口为无反射端时，系统进口处入射声功率级与出口处透射声功率的级差值，即：

式中：Wi为进口声功率，W；Wt为出口声功率，W。

传递损失为管道消声系统的自身特性，即其值与声源负载及出口声阻抗无关。系统传递损失（TL）可通过单位声功率级叠加方法计算得到。在数值模拟计算中，将消声系统进口面定义为质点振速边界，定义出口为阻抗边界，因此消声系统入口单元m的入射声压和出口单元n的辐射声压可以表示为：式中：与分别为进出口单元的声压，Pa。将式（14）与（15）代入式（13）得：

式中：Am和An分别是进出口的截面积，m2；和分别是声压和的共轭复数。

2 舷侧排气系统温度场数值模拟

2.1 计算模型

对于舷侧排气系统喷水降温过程的数值模拟是使用Fluent中的Realizablek-ε模型与DPM模型完成的。

舷侧排气消声系统计算模型如图2所示。在副消声器上游1.5的截面出设置了6个冷却水喷射点。由于舷侧排气系统喷水降温段位于主消声器与弯管下游、副消声器上游位置，因此喷水降温之后，主消声器及弯管内部介质仍以高温烟气为主，而气液两相介质存在于喷水段之后的副消声器段。

图2 数值计算模型

由于喷水降温过程中气液两相介质对于主消声器的影响可以忽略，因此将主消声器内吸声材料与声学域间设置为刚性壁面，即不考虑吸声材料随流场的变化。

本文按照冷却水流量变化设计了4个工况，以探究舷侧排气消声系统在不同冷却效果下声学变化规律。喷水流量，温度及烟气参数如表2所示。

表2 冷却水与烟气参数

2.2 喷水降温后CFD计算结果

舷侧排气系统在不同冷却水流量下通过数值计算得到的温度分布如图3所示。可见，当整个舷侧排气系统未进行排气冷却时，计算域内温度较为均匀且变化不大，最高温度为773 K，最低温度为772 K；当冷却水喷淋至消声系统后，从温度分布云图可以明显看出温度的变化，整个系统温度梯度非常明显，喷水流量分别为1.2 kg/s、1.8 kg/s、2.4 kg/s时，排气出口烟气温度分别降至342 K、341 K、340 K。尽管不同喷水流量下出口温度差别不大，但是通过云图对比可以明显看出：随着喷水流量的增加，喷水段后温度变化段更短，即温度下降更快。

图3 舷侧排气系统CFD计算结果

由于舷侧排气系统内剧烈的温度变化，势必会对整个系统的声学性能产生影响，因此，利用CFD计算得到的结果，探究喷水降温前后及不同喷水流量情况下消声系统的声学性能。

3 舷侧排气系统声学性能数值模拟

3.1 流场到声场的映射

对冷却水喷淋式舷侧排气系统声学性能进行计算时，首先需要建立CFD计算结果与声学计算之间的映射，其主要原理为：当CFD计算得到舷侧排气系统收敛之后，温度与密度等不再随时间而发生改变，消声系统内部的介质参数可以认为是定值，则将此时的计算结果作为声学有限元求解的边界条件。

图4为CFD计算数据转移至声学有限元计算网格的示意图。该图中黑色实心的节点为声学网格节点，白色为CFD计算网格节点。目标声学网格节点的值由源节点的值确定，其公式为：

式中：N为源节点数；Ttarget为声学节点的值；di为半径，m；Ti为CFD计算节点上的参数值。

3.2 舷侧排气系统声学计算结果

图4 数据映射示意图

将舷侧排气系统各喷水流量下CFD求解结果映射至声学有限元网格，在其求解基础上计算整个排气消声系统的传递损失（TL）。冷却水喷淋式舷侧排气消声系统在典型频率下声压分布如图5与下页图6所示。

图5 典型频率500 Hz下舷侧排气系统声压分布

图6 典型频率4 000 Hz下舷侧排气系统声压分布

通过不同喷水流量下舷侧排气系统在典型频率500 Hz时声压级分布可以得到，在较低频下消声系统内声传播形式为平面波。消声系统进出口声压之差明显、降噪效果良好，尤其是副消声器段具有较强消声效果，声压衰减较快。对于副消声器，首先是因为其结构为对于低频噪声具有良好消声效果的抗式设计；此外，由于副消声器位于喷水段之后，降温冷却之后声速明显降低，其噪声波长也会随之减小，因此在消声器尺寸不变的情况下增加了消声量。

舷侧排气系统在高频率下声压分布图中可以明显看出声传播形式不再是简单的平面波。由于主消声器为阻抗复合结构设计，因此其内部的吸声材料对高频噪声有着良好的降低效果。从图6声压分布云图可以得到，主消声器段对于4 000 Hz的高频排气噪声有着良好的削减效果，并且效果明显优于副消声器段。

通过主副消声器分级降噪的形式可以使整个舷侧排气消声系统有更宽的消声频带。下页图7展示了不同冷却水流量下舷侧排气消声系统的传递损失。

图7 舷侧排气消声系统传递损失

通过不同冷却水流量下舷侧排气消声系统传递损失对比可以得出喷水降温后提高了消声系统对于低频噪声的削减效果；此外，随着冷却水流量的增加，传递损失曲线向低频移动，在舷侧排气系统冷却水流量为0 kg/s时，舷侧排气系统传递损失峰值对于最低频率为320 Hz，随着喷水量的增加，依此减小为220 Hz、180 Hz、170 Hz。

3 结 语

本文探究了冷却水喷淋冷却对舷侧排气消声系统声学性能的影响及系统在不同冷却水流量下传递损失变化规律。首先通过CFD方法计算了舷侧排气系统不同喷水量下的温度分布，然后将计算结果映射到声学数值计算，作为声学有限元方法求解消声系统传递损失的边界条件，得到不同喷水量下舷侧排气系统声学计算结果。通过传递损失曲线对比得出喷水冷却在一定程度上提高了消声系统低频段声学性能，并且随着冷却水流量的增加，喷水段后温度下降速度更快且传递损失曲线向低频方向移动，随着舷侧排气消声系统低频性能的改善，其结构可以设计成体积更小更紧凑，为之后排气系统设计提供参考。