低過冷流場中蒸汽水下噴注直接接觸冷凝聲學特性研究

李 勇，林原勝，肖 頎，王 葦，李少丹，魏志國

(武漢第二船舶設計研究所 熱能動力技術重點實驗室，湖北 武漢 430205)

艦船核動力裝置運行過程需對給水進行深度除氧，以抑制管路和設備腐蝕[1]。為節省艙室空間，常采用冷凝器熱井鼓泡除氧方案，加熱蒸汽以水下噴注的方式進入熱井低過冷凝水空間并將其加熱至近飽和溫度，促使凝水中溶解氧析出。低過冷流場中蒸汽水下噴注直接接觸冷凝(DCC)的深入研究，是優化艦船核動力裝置鼓泡除氧的關鍵[2-3]。相比傳統中、高過冷流場中的蒸汽-水DCC，該物理過程表現出新的特征：一方面，由于流場過冷度低、蒸汽凝結勢小，射流汽羽流型結構及其演變呈現新的特征，是決定冷凝速率和除氧深度的關鍵因素；另一方面，該過程伴隨劇烈的相界面演化及汽泡生成、聚并、破碎、潰滅等行為，誘發強烈的流場輻射噪聲，是制約艦船隱身性能提升的重要因素。

目前，蒸汽水下噴注DCC相關研究主要集中在中、高過冷流場環境[4-8]，低過冷流場環境的研究很少。由于流場過冷度的大幅降低，水下噴注汽羽的動態特性與中、高過冷流場環境存在很大差異，是影響汽羽流型演化、冷凝速率和聲學特性的關鍵因素，目前還缺乏對其深入的了解和掌握。針對上述需求，本文通過開展低過冷流場中蒸汽水下噴注DCC聲學特性研究，識別低過冷流場中噴注汽羽兩相流型演化及參數影響規律，揭示流場熱工水力行為與輻射噪聲之間的內在關聯，可為深化相關噪聲控制理論與方法提供指導。

1 實驗系統及原理

實驗系統如圖1所示，主要由蒸汽供應系統、低過冷實驗水箱、參數測量系統等組成。

蒸汽從蒸汽發生裝置產生后，經蒸汽總管分為兩條支路：支路a的蒸汽通過穩壓罐后經噴管水平通入低過冷實驗水箱，在其中發生水下噴注、冷凝潰滅等復雜行為并誘發輻射噪聲，是實驗的主要研究對象；支路b的蒸汽經蒸汽冷卻器冷凝后，通過儲液罐重新返回蒸汽發生裝置。分別測量蒸汽總管和支路b的蒸汽流量，兩者相減可得支路a向實驗水箱的噴注流量，從而解決小流量下蒸汽流量測量的難題。實驗開始前，支路a全部蒸汽通過支路b經蒸汽冷卻器冷凝后返回蒸汽發生裝置，此時，蒸汽總管與支路b的蒸汽流量應一致。通過蒸汽冷卻器底部的凝液測量罐，測得冷凝后的凝液體積流量，經換算用于修正蒸汽總管和支路b兩臺渦街流量計之間的偏差。在蒸汽管路、噴管出口位置、實驗水箱內分別布置熱電偶測點以獲取相關位置的溫度參數，熱電偶使用前經恒溫水浴標定。通過上述措施，減少實驗參數測量誤差，滿足實驗精度要求。此外，實驗水箱內設置換熱盤管和抽氣系統，可精確調控水箱溫度、壓力。實驗系統整體保溫良好，蒸汽管路采取輔助加熱以補償向環境的散熱，確保水箱入口的噴注蒸汽處于飽和狀態。實驗系統和測量儀器主要參數列于表1、2。

圖1 實驗系統原理圖Fig.1 Schematic of expriment system

表1 實驗系統主要參數Table 1 Main parameters of experimental system

表2 實驗測量儀器主要參數Table 2 Main parameters of experimental measuring instrument

實驗過程中，借助蒸汽調節閥，控制向實驗水箱的蒸汽噴注流量；通過噴管上游的溫度、壓力測點，實時監測蒸汽噴注參數。針對噴注蒸汽在實驗水箱中的兩相流型演化和輻射噪聲行為，借助可視化攝像、微型熱電偶、壓力脈動傳感器、高靈敏水聽器等測量手段，分別對汽羽廓形、流場參數、聲學特性進行測量。其中，汽羽流型采用在實驗水箱兩對側面開設觀察窗，一側高速攝像拍攝、另一側平板光源打光的方式進行。通過上述方法，獲得汽羽演化特性與流場細致結構以及其與噴注參數、流場參數之間的影響關系，在此基礎上，通過對噪聲信號時頻域特征的分析，進一步揭示輻射聲學特性及其與流場參數、汽羽流型之間的內在關聯。

2 結果分析

2.1 汽羽流型演化

蒸汽以水下噴注方式進入低過冷實驗水箱，其流型受噴注參數、流場參數的共同影響。由于流場過冷度低，冷凝換熱能力較中、高過冷流場大幅減弱[9-10]，動力學因素對流型演化的影響更為顯著。圖2為蒸汽噴注壓力0.2 MPa(絕對壓力)、實驗水箱壓力0.05 MPa(絕對壓力)、流場過冷度6.9～7.5 ℃時不同入口蒸汽流速下的汽羽流型演化圖像。圖中，α為汽羽錐角；l為汽羽穿透距離。可看出，隨入口蒸汽流速的增加，汽羽形態及穿透距離均發生顯著變化。

蒸汽質量流速9.2 kg/(m2·s)時(圖2a)，蒸汽離開噴管后以振蕩汽泡形態在流場中呈現，冷凝發生在汽泡表面與流場接觸的兩相界面。此時，蒸汽噴注流量和射流速度勢均很小，蒸汽進入實驗水箱后，在與周圍流場壓力差的作用下汽泡體積開始膨脹；隨著汽泡體積增大，汽-水接觸相界面增加，冷凝過程增強，汽泡在達到其最大尺寸后出現收縮。在壓差力、慣性力和相界面冷凝的協同作用下，汽泡呈周期性的生長與塌縮，在此過程中，汽泡形態還受表面張力、浮力、流場擾動等因素的共同影響而發生不規則變形，并在重力影響下有向上浮升的趨勢。

圖2 不同蒸汽質量流速下汽羽流型演化Fig.2 Steam plume patterns of different steam mass velocities

蒸汽質量流速24.6 kg/(m2·s)時(圖2b)，蒸汽在噴管出口的射流速度勢逐漸克服水箱阻力，流場形態由振蕩汽泡轉變為振蕩的鈍錐形汽羽。在與汽羽毗鄰的熱水層，受蒸汽射流混合效應影響，流場熱水卷吸進入汽羽表層，使汽羽表面連續界面遭到破壞，宏觀上表現為由氣、液兩相組成的混合泡群。泡群的出現，增大了汽、水兩相之間接觸面積，也增強了汽羽與流場之間的冷凝換熱，使泡群具有塌縮潰滅的趨勢，而來自噴管的補充蒸汽又使泡群具有生長膨脹的趨勢。在兩者的動態平衡下，汽羽整體呈周期性的凝結振蕩。

蒸汽質量流速增至63.6 kg/(m2·s)時(圖2c)，蒸汽射流速度勢進一步增大，汽羽在流場中的穿透距離也隨之增長，宏觀上表現為廓形不規則的脈動汽柱。汽柱中心為由蒸汽組成的汽核；汽核周圍為射流卷吸流場熱水形成的兩相混合介質。受汽柱整體脈動的影響，氣、液兩相之間的動量、熱量和質量傳遞均增強。一方面，增大了汽柱外層與毗連熱水層之間的能質交換，流場中更多的熱水進入汽柱內部并與之進行冷凝換熱；另一方面，增強了流場湍動度及擾流效應，并導致汽羽整體呈不穩定的脈動狀態。

蒸汽質量流速增至111.2 kg/(m2·s)時(圖2d)，噴注汽羽進入穩定冷凝階段，其形狀為錐形或橢圓形，并可觀測到汽羽膨脹現象。由于射流夾帶作用的持續增強，大量熱水卷吸進入汽羽內部，使之形成圍繞汽核中心、數量眾多的離散汽泡，進一步增大了氣、液兩相之間的冷凝接觸面積。在蒸汽的持續冷凝下，外層汽泡不斷坍縮并由內層蒸汽持續補充；在遠離噴管的汽羽末端，大部分蒸汽已經冷凝，少量未冷凝蒸汽在流場中形成彌散的汽泡尾群并在流動過程中冷凝潰滅直至消失。

蒸汽質量流速達到191.8 kg/(m2·s)時(圖2e)，汽羽形態由錐形演變為長錐形，穿透距離和膨脹直徑均進一步增加，汽羽核心對表層汽泡約束能力降低，其整體廓形呈動態脈動并可觀察到部分汽泡擺脫汽羽約束進入毗鄰熱水層；在遠離噴管的汽羽末端，由于射流速度勢的減弱和冷凝的持續進行，汽泡分散度很大，羽流尾部呈來回擺動，但整體仍呈收縮形態。總體而言，由于不穩定因素的增長，汽羽形狀、分散度、穩定性等均發生較為顯著的變化。

蒸汽質量流速達到231.1 kg/(m2·s)時(圖2f)，汽羽形態由長錐形演變為發散型。在噴管出口位置，蒸汽射流速度勢發揮主導作用，汽羽未出現膨脹，其直徑與噴管尺寸相當。在蒸汽的強射流卷吸作用下，流場熱水被大量卷吸進入汽羽內部并夾帶向前運動；隨汽羽穿透距離的增加，射流速度勢減弱，汽羽廓形逐漸發散、膨脹。被卷吸進入汽羽內部的熱水與蒸汽充分混合，形成彌散的兩相狀態，氣、液兩相之間發生持續的冷凝換熱和傳質行為，氣相含率不斷降低直至發展為彌散在流場中的泡群；在遠離噴管的汽羽末端，泡群呈發散狀的羽流形狀。

流場過冷度是影響蒸汽水下噴注DCC的另一個重要因素。圖3示出了蒸汽質量流速67 kg/(m2·s)、流場過冷度2.8～14.7 ℃時水箱內噴注汽羽流型演化圖像。從圖3a～f，流場過冷度依次增大，汽羽廓形及穿透距離呈現新的特征。一般地，流場過冷度很低時，蒸汽與水之間冷凝換熱能力很弱，且汽羽周圍的熱水層很容易達到近飽和溫度，汽羽在流場中可維持較長穿透距離；隨流場過冷度的增加，氣、液兩相之間傳熱溫差增大，有利于冷凝換熱的進行，從而加快汽羽表層泡群的冷凝和潰滅，汽羽在流場中的穿透距離逐漸減小；當流場過冷度增至一定值后，蒸汽凝結勢力與射流速度勢達到平衡，進入穩定冷凝階段，汽羽廓形發展為穩定的錐形，與文獻[11-12]觀測結果基本一致。

圖3 不同流場過冷度下汽羽流型演化Fig.3 Steam plume patterns with different sub-cooled temperatures

結合本文實驗參數和汽羽圖像，具體分析如下。流場過冷度2.8 ℃時(圖3a)，蒸汽與水之間冷凝換熱能力很弱，射流速度勢發揮主要作用。汽羽穿透距離長，汽羽表面呈擴散狀振蕩并出現不規則擺動，由此誘發流場速度和壓力脈動。流場過冷度增至6.8 ℃時(圖3b)，隨氣、液兩相間冷凝換熱能力增強，噴管出口附近汽羽顯著膨脹，其整體廓形的分散度和穿透距離均降低；在汽羽末端，由于射流速度勢減弱和蒸汽持續冷凝，氣相體積分數減小，可觀測到汽羽末端振蕩和尾流泡群的出現。

流場過冷度8.3 ℃時(圖3c)，汽羽整體呈表面不規則脈動的長汽柱，毗鄰流場的熱水卷吸進入汽羽區后與蒸汽進行攪混和冷凝換熱，汽羽外層的大汽泡破碎為數量眾多的小汽泡并彌散于流場中，在流動過程發生復雜的碰撞、聚并、冷凝、潰滅等行為，使汽羽整體呈動態波動。流場過冷度增至10.4 ℃時(圖3d)，蒸汽凝結勢進一步加強，汽羽整體呈振蕩的短汽柱形態，穿透距離大幅減小，徑向膨脹度也降低。

流場過冷度增至13.5 ℃時(圖3e)，汽羽整體廓形發展為較為穩定的錐形或長錐形，其穿透距離及表面形態均發生小幅振蕩；由于冷凝換熱持續增強，汽羽外層區域氣、液兩相之間傳熱傳質速率加大，汽羽體積有塌縮的趨勢，但來自噴管的蒸汽持續向汽羽補充以維持其體積；在蒸汽噴注與蒸汽冷凝兩種機制的協同作用下，汽羽處于動態平衡狀態。流場過冷度達到14.7 ℃后(圖3f)，汽羽整體發展為穩定的錐形，流場進入穩定冷凝階段。

2.2 噪聲時域特征分析

圖4為與圖3工況相對應的冷凝噪聲時域特征曲線。流場過冷度2.8 ℃時，噴注蒸汽與流場之間的冷凝換熱能力很微弱，蒸汽在離開噴管進入流場后，受射流速度勢和壓差膨脹的雙重影響，汽羽流型呈擴散狀振蕩，由此誘發流場速度和壓力的宏觀脈動，導致聲壓時域曲線呈明顯的低頻周期特性(圖4a)。此時，聲壓時域曲線較為光滑，其變化周期約0.05 s；各周期之間聲壓振幅出現波動，最小振幅±500 Pa，最大振幅±1 300 Pa，該振幅變化與汽羽流型振蕩相關。流場過冷度增至6.8 ℃時，蒸汽與流場之間的冷凝換熱能力有所增強，相界面質量、能量交換速率和運動速度均增大，聲壓信號分布變緊湊，振幅減小至±900 Pa，同時，聲壓時域曲線上疊加有振幅較小的鋸齒狀信息，表明冷凝伴隨的高頻信息有所增強，但整體上仍可較為直觀地顯示出低頻特征(圖4b)。

圖4 不同流場過冷度下冷凝噪聲聲壓時域特征Fig.4 Time domain features of condensation noise with different sub-cooled temperatures

隨流場過冷度的升高，蒸汽冷凝換熱能力增強。結合對汽羽流型的分析，流場過冷度8.3 ℃時，汽羽整體呈不規則的長汽柱形，處于汽羽外層的蒸汽在流場中與液相混合，離散氣泡逐漸增多，形成泡狀羽流。氣、液兩相之間存在復雜的流動攪混、汽泡變形、冷凝潰滅等行為，導致流場速度擾動和壓力脈動加劇，并對其聲學特征產生影響，使聲壓時域曲線振幅回升至±1 200 Pa，同時，聲壓信號分布緊密、鋸齒增多，說明在低頻信息的基礎上疊加了豐富的高頻信息(圖4c)。流場過冷度增至10.4 ℃時，汽羽與流場之間傳熱傳質行為進一步加強，聲壓時變曲線中的高頻特征更為顯著，聲壓信號分布更加緊湊，振幅增至±1 500 Pa(圖4d)。

流場過冷度增至13.5 ℃時，聲壓時域曲線呈現明顯的中高頻特征。通過對時程坐標的放大，可發現聲壓時域信號具有周期性特征，其周期0.01 s、最大振幅約±3 000 Pa。在1個周期內，首先出現1個高振幅聲學信號，隨后伴隨多個振幅逐漸衰減的聲學信號；當振幅衰減至0后，進入下一個聲壓振蕩周期(圖4e)。流場過冷度達到14.7 ℃，聲壓時域曲線的整體特征與圖4e相似，但聲壓信號從最高振幅衰減至0所經歷的振蕩周期增多。結合對汽羽流型的分析，這是因為隨流場過冷度的進一步增加，氣、液兩相之間冷凝換熱能力大幅增強；汽羽在流場中的穿透距離減小而汽羽內汽泡破碎、聚并、冷凝、潰滅等介尺度行為也更強烈，兩者共同決定了聲壓時域曲線向高頻特征的演變(圖4f)。

2.3 噪聲頻域特征分析

圖5 不同流場過冷度下冷凝噪聲聲壓頻域特征Fig.5 Frequency features of condensation noise with different sub-cooled temperatures

在噪聲時域特征分析的基礎上，進一步對其頻域特征進行分析。圖5為對應圖3工況點的噪聲頻譜特征曲線。可看出，低過冷流場中蒸汽水下噴注DCC噪聲具有寬頻特征，在10 Hz～10 kHz范圍內未出現明顯的強特征線譜。從工況點a～f，隨流場過冷度的依次增大，噪聲頻譜曲線的低頻段和高頻段呈不同的變化規律：在10～100 Hz的低頻區域，輻射噪聲隨流場過冷度的增大而逐漸降低；在1～10 kHz的高頻區域，輻射噪聲隨流場過冷度的增大而提高；而在100 Hz～1 kHz頻率范圍內，噪聲頻譜特征隨流場過冷度變化不敏感。從圖5還可看出，流場過冷度很低時，低頻噪聲占輻射噪聲總級的主導地位；隨流場過冷度的增大，低頻噪聲所占份額逐漸降低，高頻噪聲的作用開始顯現。

結合對汽羽流型演化特征的分析，從機理上探討低過冷流場中蒸汽水下噴注DCC聲學特性的變化規律。蒸汽水下噴注時，其輻射噪聲主要來源于噴注汽羽整體振蕩等宏觀行為以及汽泡生長、聚并、破碎、潰滅等動態行為導致的流場速度與壓力脈動，而由蒸汽射流速度梯度和湍流直接產生的噪聲相對較小[13-15]。流場過冷度很低時，噴注蒸汽在流場中以周期性膨脹-收縮的振蕩型汽羽為主導，離散汽泡較少；汽羽宏觀脈動對周圍流場擾動大，其誘發的聲學行為具有明顯的低頻特征。隨流場過冷度的增大，冷凝換熱能力增強，汽羽穿透距離縮短，汽羽體積宏觀脈動減弱，使輻射噪聲低頻區域聲壓級逐漸降低，但另一方面，流場過冷度增大后，由于汽羽外層區域離散汽泡增多，以及汽羽與流場之間冷凝換熱速率增大，汽泡破碎、冷凝潰滅等行為加劇，導致輻射噪聲高頻區域聲壓級逐漸增加。

3 結論

本文圍繞低過冷流場中蒸汽水下噴注DCC過程汽羽流型演化及其聲學特性開展研究，取得如下主要結論。

1) 蒸汽以水下噴注方式進入低過冷流場形成兩相汽羽，其流型演化受噴注參數、流場參數的共同影響；通過實驗研究，分別獲得不同蒸汽質量流速和流場過冷度下噴注汽羽典型流型圖像及其演化規律。

2) 低過冷流場中蒸汽水下噴注DCC噪聲具有寬頻特征。流場過冷度很低時，低頻噪聲占輻射噪聲的主導地位；隨流場過冷度的增加，高頻噪聲在噪聲總級中的貢獻逐漸提升。

3) 流場過冷度很低時，蒸汽凝結勢小，汽羽體積脈動誘發的流場擾動是導致低頻噪聲的重要因素；隨流場過冷度增加，蒸汽凝結勢增大，離散汽泡破碎、潰滅等介觀行為是導致高頻噪聲升高的主要因素。