流水孔网格划分与边界设置

以单流水孔为基础，平板长300mm，宽100mm，前后流动域长度采用1 /2 板长，流动内腔为长300mm，宽100mm，高50mm 的长方体。流水孔形状为边长20mm 的正方形，与流动内腔成斜45° 角相连，内部流动深度为5mm。本文主要研究流体自入口进入流动域，经流水孔进入流动内腔，再回流至流动域，经出口流出的过程中流水孔的流噪声特性。采用接口技术实现流水孔与流动域和流动内腔的连接，采用六面体结构化网格进行网格生成，总数为503000。在速度入口边界指定流动的速度和湍流参数，在流动出口边界指定流动的回流湍流参数，壁面指定无滑移条件。为了更清晰的计算流水孔附近的阻力特性，设置边界层，在壁面附近分布较密的网格。本文设置2 个水听器对流噪声数据进行采集，用以有效检测流水孔对平板流噪声的影响。1#水听器位于平板中心上方一倍流水孔厚度(5mm)的高度，用于监控流动域湍流噪声。2#水听器位于流水孔内部中心位置，用于监控流水孔内流动漩涡噪声。

流水孔单流水孔仿真分析

以单流水孔为计算模型，设定速度入口来流速度为5m / s，为了分析流水孔的存在对平板流噪声特性的影响。由图知，平板开孔前后噪声分布产生了明显的变化，流水孔位置( 流水孔上表面中心位于坐标原点) 处产生了较多的流噪声特征点，而且这些特征点的声功率峰值相对较高，说明流水孔的存在对流噪声的产生具有重要的影响。平板开孔后两处测点的流噪声水平明显提升。以流噪声特征点( 曲线峰值点) 为比较量，可知: 开孔后特征点向低频区转移，说明流水孔模型对于平板流噪声的影响，不仅体现在流噪声数值的增加上，还体现在特征点对应频率上，开孔后其低频特性将变得更加突出。为了更直观地表示平板开孔前后流噪声水平的变化，采用1 /3oct 滤波器采样，引入总声级作为比较量进行声学分析，其中心频率按国际标准化组织ISO 的推荐，选定为: (1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0)× 10，本文m = 2，3。平板开孔前后，因流水孔存在带来的流噪声改变占有相当的比重，考虑到本文所选模型流水孔与平板面积之比为1:7.5，所以总声级计算结果基本合理。对两组水听器数据进行比较可知，2#水听器计算结果高于1#水听器，这是由于1#水听器位于湍流附面层外，这样做可以有效地平均掉湍流噪声压力，降低水听器对流噪声的响应。而2#水听器位于流水孔流动漩涡中心，由于流水孔内流动正负压力不平衡的原因，其对流噪声的响应较大，所以造成了两种位置流噪声数值上的差异。

针对流水孔的流噪声特性，对单流水孔模型做四种来流速度(5m /s、10m /s、15m /s、20m /s)下的流噪声特性对比，随着来流速度的增大，流水孔模型流噪声特性呈现出与来流速度成正比的普遍规律。而且，流噪声曲线振荡现象更加明显，说明速度对流噪声的稳定性具有一定的影响。流水孔流噪声与来流速度呈正比例关系，来流速度从10m /s 到20m /s 的过程中，流噪声增加了10dB 左右。潜艇噪声级与航速有关，当航速超过战斗巡航速度(7.5m / s)时，潜艇噪声级与速度的6 次方成正比，也就意味着潜艇速度每增加一倍，噪声级将增加18dB。考虑到潜艇噪声包括机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声三部分，本文给出的流水孔噪声仅为潜艇噪声的一部分，结合潜艇噪声其他影响因子，本文数据较为合理。

潜艇流水孔是指开设在潜艇非耐压非水密结构上，用于潜艇上浮下潜时供液体自由进出的开口。由于流体流经流水孔时，流场中的非定常性会产生各种尺度的旋涡及湍流引发的脉动，作用于艇体外表面导致压力波动，破坏表面湍流附面层内的流动进而形成流噪声，其对潜艇航行隐身性能产生一定的影响，降低了潜艇的隐蔽性，威胁潜艇的生存。中国船舶科学研究中心张楠 沈泓萃等针对潜艇流水孔结构精确仿真了流水孔的内外流场特性。上海交通大学付慧萍 等人采用美国国防高等研究计划署DARPA 的潜艇模型SUBOFF 作为研究对象，研究了大涡仿真方法在潜艇流动噪声数值计算中的作用。张楠等人的研究结果侧重于单一形式流水孔内外流动特性的差异，而没有探讨多流水孔工况下特性。付慧萍等人的结论为潜艇流噪声的研究提供了很好的预报方法，但是其研究重点侧重于潜艇外流场绕流特性，而对于内外流场之间流体交换问题却没有涉及。

本文基于Fluent 软件平台，利用大涡仿真技术计算潜艇流噪声的优势，对潜艇流水孔三维结构模型进行数值仿真，准确仿真了流水孔内外流场交换问题，通过对流水孔的数量、形状，尺寸以及流动速度做变工况处理，分析了流水孔参数改变对潜艇流噪声水平的影响，获得了一定的流水孔流噪声特性规律。

流水孔流水孔形状

针对不同流水孔形状，对潜艇流噪声特性影响进行统计，前提条件为流水孔面积相同，取形状分别为正方形( 边长 20mm)圆形(半径11.287mm)、菱形(底角60°，边长21.492 mm)以及长方形(40mm × 10mm)，对其在5m /s 来流速度下进行数值仿真比较。四种模型流噪声水平归为两类:

1)正方形和圆形流水孔全频段噪声级水平居于160dB 以下，二者低频段声压级峰值较为接近。不同点在于，圆形流水孔高频段噪声级略高于正方形流水孔，其整体流噪声水平又略低于正方形流水孔。

2)菱形和长方形流水孔流噪声水平较为接近，二者低频段声压级峰值和高频稳定段噪声级水平均处于同一水平，所以可以认为二者流噪声水平相近。

四种形状流水孔在各测点的噪声特性较为统一，整体呈现为正方形流水孔流噪声最低 之后依次为圆形流水孔、菱形流水孔、长方形流水孔。这一规律与现在各国海军潜艇流水孔普遍采用正方形作为制式标准相吻合，计算结果较为可信。

流水孔流水孔尺寸

针对流水孔尺寸对潜艇流噪声特性的影响进行统计，以单流水孔为模型，以正方形流水孔 ( 边长 20mm) 模型为基础，维持流水孔宽度不变，改变流水孔长度，实现流水孔尺寸改变比例α = 0.5、1、2、4、8。在5m /s来流速度下进行数值仿真比较。流水孔尺寸显著影响开孔平板流噪声的水平，且随着流水孔尺寸比例的增大，流噪声呈现出先增大后减小的趋势，在α = 2时达到最大，说明流水孔尺寸的改变对平板流噪声的影响并不是单调变化的，而是存在一个峰值尺寸。将α = 2与其它四种比例时的情形进行对比可以看出:

1)尺寸减小时，整个频率带上的流噪声均降低，且比例越小，高频带降低的幅度越大。

2)尺寸增大时，整个频率带上的流噪声均降低，且比例越大，低频带降低的幅度越大。

3)对比尺寸减小和增大时，噪声整体水平的降低情况可以看出，尺寸减小引起的流噪声较小。

单孔平板模型因流水孔与流动内腔相连，所以可以近似认为其为单孔吸声结构。因流体流经平板表面时所产生的流噪声在高频带为白噪声 不同结构对白噪声的吸声频率不同，本文对单孔平板模型作基于流水孔尺寸的改变，那么不同的尺寸比例所对应的吸声频率也将有所不同。

另外，Liebermann从理论上证明了，离子弛豫机制和粘滞性将会导致水声吸收系数与频率的关系。根据流体力学的概念，流体在平板表面以及流水孔内部流动时会产生粘滞阻尼，不同尺寸的流水孔会产生不同的粘滞性，因此水声吸收系数不同，从而会产生不同的流噪声水平。

综上所述可知: 在本文数值仿真前提下，流水孔尺寸比例α = 2时，对流噪声的吸收频带最少，因此吸声最少，总声级最大。而减小尺寸比例可获得较低的噪声辐射水平。因此通过优化流水孔的尺寸，可以达到有效降低流噪声水平的目的。

流水孔流水孔数量

针对流水孔数量对潜艇力学特性的影响进行统计，以单流水孔为研究模型，以正方形流水孔(边长20mm)模型为基础，改变平板模型流水孔开孔数量，实现流水孔数量N = 1、2、4、8，在5m /s 来流速度下进行数值仿真比较。由于流体流经流水孔产生的湍动漩涡以及压力波动区域会造成流噪声的不稳定，所以噪声源的分布在流水孔间分布并不是简单的叠加，而是呈现出一种相互干涉的现象: 位于中间位置的流水孔声功率峰值最大，而后逐渐向两侧递减，离速度入口以及流动出口最近的流水孔噪声源声功率峰值最小，整体趋势为“抛物线”形状。结论知，这可能是由于湍流附面层导致的湍流层流噪声压力未被有效平均，从而在多流水孔中，出现流噪声在流水孔之间相对不平均的现象。

为了更直观地显示开孔平板流噪声水平随流水孔数量的变化率。由表可知:流水孔数量由1 增加到8 时，流噪声增幅在13dB 以上，说明多孔结构流噪声水平更高。整体而言，流噪声水平与流水孔数量呈正比例关系。这说明流水孔数量对不同位置处的噪声影响不同，这可以从流水孔纵剖面湍流分布来分析。单流水孔中，流水孔内湍流漩涡较流动域壁面湍流活动更为激烈，所以 2#水听器流噪声数据较高。而对于 8 个流水孔，液体在流动内腔流动时逐渐衰减，即离速度入口最近的流水孔流动最激烈，然后逐级衰减。而对于流动域壁面流动来说，其规律正好相反。本文以潜艇流水孔为研究对象，通过改变流水孔模型参数，得出流水孔的流噪声特性。结论如下:

1) 平板开孔后流水孔附近湍流活动增强，噪声源分布点增多，导致平板流噪声整体水平的提升。

2) 流体流经正方形、圆形、菱形以及长方形四种流水孔时，流噪声水平以正方形流水孔最低，而后是圆形流水孔，长方形流水孔最大。

3) 流水孔尺寸的改变对平板流噪声的影响并不是单调的，而是存在一个峰值尺寸，该尺寸下噪声级最高。本文结果为流水孔形状、尺寸及数量的匹配设计和潜艇航行降噪研究提供参考，对于流水孔流噪声特性的实验验证是下一步解决的问题。 2100433B

工程上，在焊接管材件上，用于喷塑、电镀等除水用的工艺孔。

管材不同，开的孔的大小、形状不同。

消水孔一般在产品的向下面，在隐藏部位的端部，顶端位置，消水孔的大小，影响水流出的速度，大小合适位置正确的消水孔，可以给后道工序节约时间成本，加快工作效率。以及保证产品的后道工序加工质量（喷塑，电镀等）

排水孔是降低坝基渗流而设置的钻孔。

中文名称

排水孔

英文名称

drainage hole

定　　义

为降低坝基渗流而设置的钻孔。

应用学科

水利科技（一级学科），水工建筑（二级学科），挡水建筑物（三级学科）