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水下气体射流与气泡流声特性的数值模拟与实验研究

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水下排气过程往往伴随有强烈的声学信号产生，其声特性及其抑制或主动利用在近年来逐渐成为研究热点，且涉及到多个技术领域。如，水下装备的废气排放所产生的噪声不仅会干扰己方通讯、破坏隐蔽性，还会造成工作和海洋环境的声污染，排气噪声的控制是关键问题；在过程工业领域的鼓泡塔等典型设备中，可以通过声学测量手段获取两相流流场信息。因此，无论从噪声的抑制还是主动的声学应用角度考虑，水下排气声特性及其产生机理的研究都具有重要的科学意义和应用价值。 本文面向水下排气过程，采用理论分析、数值模拟和实验验证等方法，对气液两相流复杂流动状态的演化过程与辐射声学特性进行同步分析，研究水下气体高速射流和气泡流两种气液两相流动状态下的声产生机理，为气泡声特性的控制和利用提供依据，主要工作包括以下几个方面： 1.基于LIGHTHILL声类比思想建立了水下排气噪声的数值预测模型，在气液两相流场模拟的基础上实现了水下排气流场与声压信息的同步获取，并在水下超声速排气和低速气泡流两种典型排气过程中得到应用；采用滤波和傅里叶变换等信号处理手段，实现了水下排气噪声数值预测结果的分离、提取和分析。 2.基于MIXTURE模型对水下超声速排气形成的两相流流场进行了数值模拟，通过求解FW-H方程得到水下超声速气体喷流噪声特性，实现了喷流结构及其辐射噪声的数值预测；并通过试验结果验证了噪声预测方法，预测和试验得到的总声压级差值小于3.6分贝。结合时-频分析方法研究了喷流噪声产生的物理机制，发现流场激波结构演化过程与声压脉动信号之间的对应关系；讨论了不同喷管出口环境背压和来流总压对流场与声场的影响。 3.基于VOF模型对水下排气形成的气泡流进行数值模拟，分析了声源积分面选取以及网格大小对气泡声学预测结果的影响，并通过文献中的经典实验数据验证了模拟方法的可行性和准确性。结合信号处理手段得到了气泡产生频率和气泡体积振动频率的预测结果；发现管口气泡脱离瞬间伴随着流场内压力脉动峰值和时域波形类似于衰减的正弦波的声压信号的出现。 4.基于数值模拟和实验研究分析了水下低速排气管口气泡脱离特性及其噪声产生机理，研究了管口结构在气泡生成过程所起到的“导流”作用；发现管口周围液体的运动不仅影响气泡脱离过程同时也是诱发气泡发生体积振动并辐射声压信号的激励源。 本文针对水下超声速气体射流和低速气泡流的声特性研究，建立了数值预测和实验方法，可为水下排气噪声的预报和声特性研究提供一种工程解决方案。对两种典型水下排气过程声信号产生机理的认识可为水下排气噪声的控制和声信号的主动利用提供理论和技术支撑。

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