一种水下流激空腔噪声控制装置
技术领域
本发明属于水动力噪声控制技术领域，更具体地，涉及一种水下流激空腔噪声控制装置。
背景技术
空腔广泛存在于水下航行体的开孔部位，当航行体表面湍流边界层流经这些开孔时，在孔口(腔口)形成湍流剪切层，剪切层与腔口导边、随边以及空腔内流体的相互作用，会在腔口形成较为剧烈的自持振荡，引起较大的速度和压力脉动，并辐射强烈的线谱噪声，即空腔噪声，严重影响水下航行体的隐蔽性。
空腔噪声的机理非常复杂，一般来说，典型的空腔噪声包括以下机理特征：湍流边界层在腔口导边分离并在腔口形成具有振荡特性的剪切流动，剪切层到达腔口随边时，与随边发生碰撞并产生压力脉动，压力脉动向上游传播至导边又进一步影响了导边的边界层分离，当压力脉动的反馈相位与边界层分离相位吻合时，剪切层扰动形成一个闭合的声反馈环，即产生腔口剪切层自持振荡，自持振荡还会与空腔声模态、空腔弹性结构模态发生多种形式的耦合共振，从而辐射强烈的线谱噪声。Willam Blake在其专著《Mechanics ofFlow-Induced Noise》指出：抑制空腔噪声最有效的方法是降低或消除腔口剪切层的发展，其次是破坏或阻挡声反馈环的形成(Blake W K.Mechanics of Flow Induced Sound andVibration[M].Academic Press,1986:130-218.)。过去对于水下流激空腔噪声的控制，主要还是采用改变腔口形状、安装格栅等措施，控制效果并不明显，其主要原因还是这些控制措施并没有减弱剪切层的发展或破坏腔口声反馈环。
在气动噪声控制领域，美国专利《Aircraft Cavity Acoustic ResonanceSuppression System》(US005699981)提出了一种在空腔导边上方垂直于来流方向布置圆柱体的空腔噪声抑制方式，通过圆柱绕流产生的大量脱落涡与腔口剪切层涡碰撞，耗散剪切层湍动能，从而减弱剪切层的发展，抑制空腔噪声。文献(Rona A.Control of transoniccavity flow instability by streamwise air injection[C]//42nd AIAA AerospaceSciences Meeting and Exhibit.2004:682.)介绍了一种在空腔导边下方主动注入流体的空腔噪声抑制方式，通过注入外界流体，可以减小腔口流动的速度梯度，减缓剪切层的发展，进而降低空腔噪声。
以上两类应用于空气中的空腔噪声控制装置可以为水中空腔噪声控制所借鉴，但在低自噪声、高适用性和易于安装使用等方面仍有需要改善的地方。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低自噪声、高适用性和易于安装使用的水下流激空腔噪声控制装置，其可显著降低水下航行体开孔部位流激空腔噪声。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下流激空腔噪声控制装置，其特征在于，包括支架、驱动单元和分流体，其中，
所述支架安装在空腔体的上表面上，该空腔体的上表面具有与该空腔体的内腔连通的腔口，所述支架内部密封安装所述驱动单元；
所述支架在对应于所述腔口的位置安装所述分流体，所述分流体包括直三棱柱和设置在所述直三棱柱上的伸出轴，该直三棱柱具有相互平行的两个底面及位于这两个底面之间的三个侧面和三条侧棱，至少其中一个底面上设置所述伸出轴，所述伸出轴水平设置并与水平的来流方向垂直，该直三棱柱的侧棱与所述伸出轴平行；
所述直三棱柱的三个侧面分别为迎着来流且面向该空腔体的分流面、背离来流的背流面和连接所述分流面和背流面的导流面，并且沿着与来流方向相同的方向，该分流面的高度逐渐降低，并且所述分流面上高度较大的侧棱位于该腔口的上方；
所述伸出轴与所述驱动单元连接，以用于带动所述直三棱柱绕所述伸出轴的轴线转动，以使驱动单元根据来流的流速，来调整该直三棱柱的分流面上远离空腔体上表面的侧棱与该空腔体上表面的距离h。
优选地，还包括密封轴承，所述伸出轴通过所述密封轴承安装在所述支架上。
优选地，所述空腔体的上表面与来流平行。
优选地，所述腔口为长方形开口，其沿着与来流方向相垂直的两个内壁分别为腔口导边和腔口随边，并且上游的内壁为腔口导边，下游的内壁为腔口随边，则所述腔口导边和腔口随边均与所述伸出轴平行；
当来流为设计点速度时，所述导流面与空腔体的上表面平行，并且该分流面上高度较大的侧棱与该腔口的腔口导边平齐，该分流面上高度较小的侧棱与该腔体的上表面平齐，此时该分流面上高度较大的侧棱与腔体上表面的距离h＝(1/10～1/2)δ，其中δ为边界层厚度。
优选地，所述分流面与所述导流面的夹角为10°～15°。
优选地，所述支架采用流线体外形并且做密封处理。
优选地，所述驱动单元包括动力装置、推杆、销轴和连杆，所述推杆水平设置并且与所述伸出轴垂直，所述动力装置与所述推杆的一端连接，以用于推动所述推杆沿着该推杆的纵向移动，所述推杆的另一端连接有销轴，所述连杆的一端固定连接在所述伸出轴上，所述连杆上设置有长条孔，所述销轴从所述长条孔处穿过所述连杆，以用于在所述长条孔内滑动。
优选地，所述连杆的一端通过键与伸出轴固定连接。
优选地，所述导流面与所述背流面垂直。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明的分流体一方面抑制了腔口导边的边界层分离，破坏了腔口声反馈环的形成，另一方面减小了腔口剪切层速度梯度，有效抑制了腔口剪切层振荡，降低流激空腔噪声；同时，驱动单元根据外部流速大小，使分流体随来流速度自动调整姿态，通过驱动分流体在一定角度范围内转动，调整分流量的大小，显著增大了分流体有效作用速度范围，使本发明在较大速度范围具有稳定的空腔噪声控制效果。
2)本发明的分流体能有效消除或减弱空腔自持振荡，特别是线谱噪声，而且结构简单，可直接安装水下航行体的开孔部位，安装灵活。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖面示意图；
图3是本发明的工作原理示意图；
图4是本发明中驱动单元的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～图4所示，一种水下流激空腔噪声控制装置，包括支架2、驱动单元3和分流体1，其中，
所述支架2安装在空腔体5的上表面5.4上，该空腔体5的上表面5.4具有与该空腔体5的内腔5.5连通的腔口，所述支架2内部密封安装所述驱动单元3；本发明的支架2优选设置有两个，并且对称布置于腔口两侧。
所述支架2在对应于所述腔口的位置安装所述分流体1，所述分流体1包括直三棱柱1.1和设置在所述直三棱柱1.1上的伸出轴1.2，该直三棱柱1.1具有相互平行的两个底面及位于这两个底面之间的三个侧面和三条侧棱，至少其中一个底面上设置所述伸出轴1.2，优选地每个底面上均设置伸出轴1.2，所述伸出轴1.2水平设置并与水平的来流方向垂直，该直三棱柱1.1的侧棱与所述伸出轴1.2平行。
所述直三棱柱1.1的三个侧面分别为迎着来流且面向该空腔体5的分流面1.6、背离来流的背流面和连接所述分流面1.6和背流面的导流面1.7，优选地，所述导流面1.7与所述背流面垂直，保证导流面1.7和分流面1.6的涡脱落在同流向位置发生，并减小对腔口面积影响，该分流面1.6相对于水平面倾斜设置，并且沿着与来流方向相同的方向，该分流面1.6的高度逐渐降低，并且所述分流面1.6上高度较大的侧棱(即前缘1.3)位于该腔口的上方，分流面1.6上高度较小的侧棱(即下缘1.4)，直三棱柱1.1的另外一条侧棱为后缘1.5。
所述伸出轴1.2与所述驱动单元3连接，以用于带动所述直三棱柱1.1绕所述伸出轴1.2的轴线转动，以使驱动单元3根据来流的流速来调整直三棱柱1.1的姿态，进而调整使该直三棱柱1.1的分流面1.6上远离空腔体5上表面5.4的侧棱与该空腔体5上表面5.4的距离h。驱动单元3安装于腔口两侧的支架2内部，可以接收外界流速信号，根据来流速度大小，驱动分流体1做相应角度的转动，调整分流体1姿态。
进一步，本发明还包括密封轴承4，所述伸出轴1.2通过所述密封轴承4安装在所述支架2上。所述支架2在靠近腔口一侧具有轴接孔，其余部位均封闭的罩式结构，密封轴承4安装在轴接孔处，并环套住分流体1两端的伸出轴1.2，实现对分流体1的安装和支撑；支架2可以采用流线体外形并做密封处理，保证支架2内部与外界流体完全隔离，以减小带来的流动阻力；靠近腔口的侧壁适当加厚，用以安装密封轴承4以及支撑分流体1。
进一步，所述空腔体5的上表面5.4与来流平行，所述腔口为长方形开口，腔口沿着与来流方向相垂直的两个内壁分别为腔口导边5.1和腔口随边5.2，并且上游的内壁为腔口导边5.1，下游的内壁为腔口随边5.2，，腔口的另两个内壁为腔口侧壁5.3。
当来流为设计点速度时，所述导流面1.7与所述空腔体5的上表面5.4平行，并且该分流面1.6上高度较大的侧棱(即前缘1.3)与该腔口的腔口导边5.1平齐，该分流面1.6上高度较小的侧棱(即下缘1.4)与该腔体的上表面5.4平齐，此时该分流面1.6上高度较大的侧棱(前缘1.3)与腔体上表面5.4的距离h＝(1/10～1/2)δ，其中δ为边界层厚度，边界层厚度与来流速度存在函数关系。
进一步，所述驱动单元3包括动力装置3.3、推杆3.2、销轴3.4和连杆3.1，所述推杆3.2水平设置并且与所述伸出轴1.2垂直，所述动力装置3.3与所述推杆3.2的一端连接，以用于推动所述推杆3.2沿着该推杆3.2的纵向移动，所述推杆3.2的另一端连接有销轴3.4，所述连杆3.1的一端优选通过键3.5固定连接在所述伸出轴1.2上，所述连杆3.1上设置有长条孔，所述销轴3.4从所述长条孔处穿过所述连杆3.1，以用于在所述长条孔内滑动，将推杆3.2的平动转化为连杆3.1和分流体1的转动。
参照图1、图3，本发明工作时，驱动单元3根据外界的来流速度U的大小对分流体1姿态进行调整。当来流速度U大于设计点速度时，驱动单元3驱动分流体1向减小距离h的方向转动；当来流速度U小于设计点速度时，驱动单元3驱动分流体1向增大距离h的方向转动，保证在不同流速下，距离h与边界层厚度δ对应关系不变。
本发明的分流体1横跨于腔口前部上方，其直三棱柱1.1沿来流反方向逐渐变得尖锐，直至分流面1.6与导流面1.7交接形成前缘1.3，分流面1.6与导流面1.7的夹角(分流角)可取为10°～15°，保证分流进腔内的流体能有效与腔口剪切层干涉，减小剪切层速度梯度。
本发明基于破坏声反馈环和减弱剪切层发展的原理进行流激空腔噪声控制，分流体1将部分边界层内流体从其前缘1.3沿分流面1.6经腔口后分流至空腔体5的内部，一方面抑制了腔口的边界层分离，破坏声反馈环的形成，另一方面，减小了腔口剪切层速度梯度，减缓剪切层振荡的发展。通过合理选择分流体1的安装高度和分流角大小，可有效抑制腔口剪切层振荡，降低流激空腔噪声；同时，驱动单元3根据来流速度大小，调整分流体1的直三棱柱1.1的姿态(当来流速度高于设计点速度时，则驱动单元3驱动分流体1的前缘1.3向靠近空腔体5的上表面5.4的方向运动，即此时前缘1.3与空腔体5的上表面5.4的距离小于设计点速度时前缘1.3与空腔体5的上表面5.4的距离；当来流速度低于设计点速度时，则驱动单元3驱动分流体1的前缘1.3向远离空腔体5的上表面5.4的方向运动，即此时前缘1.3与空腔体5的上表面5.4的距离大于设计点速度时前缘1.3与空腔体5的上表面5.4的距离)，以使分流体1在较大的来流速度范围内具有稳定的空腔噪声抑制效果。
本实施例工作时，基于破坏声反馈环和减小剪切层发展的原理进行流激空腔噪声控制。如图3所示，外部流体在流经空腔体5的腔口时，部分边界层内流体从前缘1.3开始，沿分流面1.6分流至空腔内部，分流体1一方面抑制了腔口导边5.1的边界层分离，破坏了腔口声反馈环的形成；另一方面，被分流进空腔体5内腔的流体减小了来流在后缘1.5后部形成的腔口剪切层速度梯度，进而减缓了剪切层振荡的发展，这两方面综合作用有效抑制了腔口剪切层振荡，而剪切层振荡是流激空腔噪声的主要来源。同时，驱动单元根据外部流速大小，通过带动分流体转动，调整分流体姿态，进而改变分流进空腔内部的流量，使本发明装置在不同流速下均能达到较好的空腔噪声控制效果，改善被动控制装置控制效果仅局限于设计点工况这一缺陷。
本发明中的提到“上游”、“下游”是相对于来流的流动而言，来流是从上游往下游流动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
