基于减小气泡直径的水下排气降噪技术

张德满，赵俊涛，邓鹏，张禄京，王博

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

一些处于水下运行的装置，在工作过程中，会产生需要向水中排放的气体，气体直接排入水中会产生较大的排气噪声，严重影响水下装置的工作性能[1– 2]。

为降低装置的水下排气噪声，许多学者开展了水下排气噪声理论及试验研究工作。郝宗睿等[3～5]研究表明，其他参数相同条件下，水下排气时，从排气口脱落气泡尺寸越小，排气噪声越低，减小排气气泡尺寸，是降低排气噪声的有效途径之一。

Minnaert[6]等研究结果表明，气体排入水中形成气泡的直径大小可由式（1）计算得到，其主要受水密度、气体密度、排气口直径等因素影响。

式中：ρl为液体密度；ρg为气体密度；g为重力常数；D0为排气口直径；σ 为气泡表面张力系数。

由式（1）可知，为减小排入水中气泡的直径，最直接的办法是减小排气口直径D0。目前工程上也多通过减少排气口直径的方法，来减小气泡直径，但由式（1）可知，排气口直径与气泡直径之间是三次方关系，单独通过减小排气口直径的方法收益较小。工程上排气口直径过小又会带来堵塞等次生问题。

从排气口脱落气泡的最终体积为膨胀阶段体积与脱离阶段体积之和，如下式

式中：V为气泡脱离后的体积；Ve为膨胀阶段体积；Q为排气口处流量；τf为气泡脱离时间。

气泡的最终体积越小，气泡直径自然也越小，因此，如能为气泡上浮提供额外的力，使气泡及时克服表面张力，尽快脱离气流，即减小气泡脱离时间 τf，也能有效减小气泡直径。

为了有效减小气泡直径，降低排气噪声，本文通过采用气泡生成器上小尺寸通气缝排气以及采用水流冲刷的方法，为气泡脱离提供剪切力，减小气泡脱离时间的方法，减小水中排气时气泡直径。采用高速显微摄像及噪声测量方法，对水下排气时气泡的形成过程及不同气泡直径对排气噪声的影响进行试验研究。

1 水下排气气泡生成特征试验

1.1 气泡生成器介绍

气泡生成器由螺纹孔座、多孔支撑架、橡胶皮及卡箍组合而成，如图1 所示。

图1 气泡生成器示意图Fig.1 Schematic diagram of bubble generator

橡胶皮上整齐穿刺通气缝，排放气体通过螺纹孔座板进入气泡生成器，穿过多孔支撑架上的气孔，再从橡胶皮上的通气缝排入水中。因橡胶皮具有弹性，通气缝具有一定的剪切力，在气泡生成过程中可以辅助克服气泡表面张力，有利于生成小直径气泡。

试验通过选用通气缝长度分别为2 mm 和1 mm 的气泡生成器进行试验，研究气泡生成特征，并通过增加水流冲刷，为气泡提供脱离力的方法进一步减小气泡直径。

1.2 气泡生成过程高速显微摄像试验台架

为研究水下气泡生成特征，搭建了高速显微摄像试验台架，如图2 所示，试验台架主要由气泡生成器、透明水池、高速摄像机、显微镜头、LED 灯、水泵、流量计、调节阀等组成。气瓶中的气体经过管路上的调节阀，调成适合单只气泡生成器的流量，后进入气泡生成器，在透明水池中生成小直径气泡。水泵可从水池下部吸水，通过水管路上的调节阀调节，模拟不同流量的水流，对气泡生成器表面的气泡进行冲刷。

为减少上浮气泡对摄像效果的影响，试验时将观测点布置于气泡生成器下部，将LED 灯布置在观测点的正后方，形成阴影法摄像光路。调整高速摄像机的位置，使得被观测气泡处于显微摄像镜头的聚焦平面内。用高速摄像机分别记录通气缝长度为2 mm 和1 mm气泡生成器上气泡生成过程，以及增加水流冲刷时气泡生成过程。

1.3 不同通气缝长度时气泡生成过程

气泡生成器的通气缝长度为2 mm 时，气泡生成过程如图3 所示，每张图中存在有主气泡和次生气泡，在主气泡生成前24 ms，主气泡与次生气泡一直相连，气泡生成器中的气体通过次生气泡进入主气泡，使主气泡逐渐变大。主气泡在脱离次生气泡之前为不规则球形，表面较粗糙。随着气泡体积不断增大，其浮力也不断增大，最终在浮力作用下，主气泡与次生气泡脱离。主气泡与次生气泡脱离之后，气泡呈较规则球形，脱离时主气泡尺寸约1.5 mm。

图3 通气缝长度为2 mm 气泡形成过程Fig.3 Bubble formation process with vent joint length of 2 mm

气泡生成器的通气缝长度为1 mm 时，气泡生成过程见如图4 所示，主气泡在脱离气泡生成器表面之前，无次生气泡产生，主气泡生成初期，气泡呈较规则球形，表面比较光滑。气泡最终直径约0.5 mm，远小于通气缝长度为2 mm 时的气泡尺寸。

图4 通气缝长度为1 mm 气泡形成过程Fig.4 Bubble formation process with vent joint length of 1 mm

1.4 水流冲刷的影响分析

采用通气缝长度为1 mm 的气泡生成器继续试验。启动水泵，通过调节阀，分别将冲刷水流速度调至0 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s 和0.9 m/s，稳定后，分别记录气泡的最终状态，如图5 所示。

图5 不同水流速度时气泡尺寸Fig.5 Bubble size at different water velocities

相对于水流速度为0 m/s，水流速度为0.3 m/s 时，气泡直径由0.5 mm 左右减小到0.25 mm 左右，水流速度为0.6 m/s 时，气泡直径减小为0.15 mm 左右，水流速度为0.9 m/s 时，气泡直径减小为0.1 mm 左右。因此采用水流冲刷的方法可以有效减小气泡直径。

2 水下排气噪声测试试验

分别在采用内径为25 mm 的管路直接排放、通气缝长度为2 mm 的气泡生成器排放和通气缝长度为1 mm的气泡生成器排放3 种工况下，测量水下排气噪声，研究气泡生成器排放的降噪效果。

在采用通气缝长度为1 mm 的气泡生成器排放时，分别增加0 m/s、0.3 m/s、0.6 m/s 和0.9 m/s 水流冲刷，测量水下噪声，研究水流冲刷的降噪效果。

2.1 试验台架

试验时将20 只气泡生成器固定安装在一个敞口容器中，组合成排气装置。间见图6，装置底部均布水管路，可以在气泡生成器排气过程中采用水流对其表面进行冲刷，单只气泡生成器最大排气流量为标准状态下3 m3/h，试验时总排气流量为60 m3/h，采用内径为25 mm 的管路直接排放时排气流量也为60 m3/h。

图6 气泡生成器与管路排气噪声对比图Fig.6 Comparison diagram of exhaust noise between bubble generator and pipeline

试验时将排气装置放到水下10 m（装置上表面距水平面10 m）。水听器布置于距离排气装置上表面和侧面都为1 m 的位置，水听器测量误差小于0.1 dB。

2.2 试验结果

设某辐射噪声值为基准值，记为0 dB，本文所述辐射噪声值，都为减去基准值得到的数值。试验前测量了水池的背景噪声，背景噪声总级与所有试验工况总级的差值都大于10 dB，满足测噪要求。测量各种工况水下噪声的1/3 倍频带分别如图6 和图7 所示。

图7 水流对排气噪声的影响Fig.7 Influence of water flow on exhaust noise

由图6 可以看出，排气总流量相同时，采用通气缝长度为2 mm 和1 mm 的排气装置排放时，排气噪声总级分别比采用25 mm 管路直接排放低18 dB 和21 dB，且2 000 Hz 以下的中、低频排气噪声降低明显。说明采用气泡生成器减小排气气泡的直径，可以有效降低排气噪声，且气泡直径越小，降噪效果越好。

由图7 可以看出，因水流冲刷使气泡直径变小，增加水流冲刷之后，400 Hz 以下低频噪声进一步降低，但400 Hz 以上中、高频噪声随之增加。水流从0 m/s增加到0.3 m/s 时，排气噪声总级降低了6 dB，但是水流本身也存在自己的噪声，且流速越大，中、高频噪声越大，因此增加水流后，噪声总级虽有降低，但幅度较小，水流从0.3 m/s 增加到0.9 m/s，总噪声只降低了2 dB。

3 结语

本文通过理论分析和试验研究，得到以下结论：

1）采用气泡生成器可以有效降低水下排气时气泡的直径，通气缝长度为2 mm 时气泡直径为1.5 mm 左右，通气缝长度为1 mm 时气泡直径为0.5 mm 左右。

2）减小排放气泡直径可以降低中低频排气噪声，气泡直径越小，排气噪声越小。总排气流量为60 m3/h时，相对于内径为25 mm 的管路直接排放，采用通气缝长度为2 mm 排气装置排放时排气噪声降低18 dB，采用通气缝长度为1 mm 排气装置排放时排气噪声降低21 dB。

3）采用水流冲刷的方法可以使排气气泡直径进一步降低，并降低低频排气噪声，增加0.3 m/s 水流时，噪声总级降低了6 dB。但是水流增大时，水流自身的中、高频噪声会随之增大，总噪声降低幅度较小，水流从0.3 m/s 增加到0.9 m/s，总噪声降低2 dB。