基于流场、声场协同原理的大口径通海管道声能传递机理研究

The noise radiation of large diameter sea pipelines is one of the critical factors that constrains the stealthiness of submarine in China. Therefore, it is the key point to improve the submarine’s stealthiness via investigating the transfer mechanism of sound energy in pipeline and developing high efficiency silencers with low penalty of pressure drop. However, the traditional silencers mainly emphasize on the impedance matching features and cannot meet the requirements of enechoic effect and flow resistance simultaneously.Since few theories focus on the transfer process of sound energy from the flow field and sound field matching perspectives and the investigation of synergy field principle on the transfer process of sound energy is rarely covered, the goals of this project are to explore the effect of the synergy between flow field and sound field on the transfer process of sound energy, to develop the synergy field principle for sound energy transfer process, to analyze the physical mechanism of different silencers, to reveal the generation and transfer mechanism of flow noise in pipelines, to construct the relationship between sound energy transfer process and heat, mass transfer processes, to achieve high efficiency silencers with low penalty of pressure drop based on the analogy of heat and mass transfer enhancement and to develop a comprehensive assessment index that simultaneously meets the requirements of the enechoic effect and flow resistance. The present study will generate a new analysis method for the reduction of flow noise in large diameter sea pipeline and will develop new applications of the synergy field principle for transfer process.

大口径通海管路辐射噪声问题是制约我国水下舰船隐身性的关键因素之一，研究管道声能的传递机理，发展高效低阻的管道消声措施是提高水下舰船隐身性的关键所在。而传统的消声理论重点关注的是声波在传播介质中的阻抗匹配特性，设计的消声装置难以同时兼顾消声效果和流动阻力；且很少有理论从流场与声场匹配的角度来研究声能的高效传递过程，将场协同理论应用于声能传递过程的研究也鲜有涉及。因此，本项目旨在探索噪声传递过程中流场与声场之间的协同关系对声能传递效率的影响，建立声能传递过程的场协同理论；从流场与声场协同的角度，分析声波入射角度、声源特性对声功流的影响关系，揭示管道流动噪声的传递机理；构建声能传递过程与动量、热量、质量传递过程的内在联系，获得高效低阻的管道噪声消除方法，发展兼顾声能传递效率和流动阻力的综合评价指标；既为水下舰船大口径通海管道流动噪声消除提供新的分析方法，也为传递过程的场协同理论拓展新的应用领域。

本项目针对舰船通海管道流动噪声问题，提出借鉴对流传热的场协同理论，从流场、声场协同匹配的角度来研究声能的高效传递机理，进行了流场、声场协同理论公式推导，并进行了数值和实验验证。参考对流传热、对流传质和其他传递过程场协同理论的建立过程，从声场中的动量方程和能量方程出发，研究流场中速度场和声压梯度场的协同关系对声能传递过程的影响，建立声能传递过程的场协同理论；在声波传递过程中，声能的传递量与三部分有关：流体速度与声压梯度的协同性、流体振动速度与流体压力梯度的协同性、流体振动速度与声压梯度的协同性。由此可见，在流噪声传递过程中，声能传递量的影响因素众多，概括而言，主要是与流场与声场的协同性相关。.建立了变截面管道内声波传递过程的数值模型，研究了不同工况下声波在变截面管道内的传递损失。当不考虑流速时，不存在流体速度场与声压梯度场的协同关系，流场、声场是否协同对声能的传递损失没有影响；当流动速度为正，流动速度与声波传播方向一致，流体的速度场与声压梯度场协同性较好，声波传递损失较大，变截面管的传递损失较大；当流动速度为负，流动速度与声波传播方向相反，流体的速度场与声压梯度场协同性较差，声波传递损失较小，变截面管的传递损失较小；可以看出，流场与声压梯度场的协同关系对管道的声能传递效率有着十分重要的影响。.本项目共发表学术论文16篇，其中国际期刊论文4篇（均为SCI源刊），国际会议论文7篇，国内会议论文3篇。申请国家发明专利共4项，其中授权3项。参加国际会议7人次，参加国内会议3人次。在人才培养方面，2人晋升为高工，2人晋升工程师，培养毕业硕士研究生1名。