一种基于仿生原理的通水管路连接装置及安装方法

1.本发明涉及海洋工程消声降噪领域，尤其涉及一种基于仿生原理的通水管路连接装置及安装方法。


背景技术：

2.舰艇在航行时产生振动与辐射噪声的原因有很多，其中，螺旋桨噪声、水动力噪声、设备振动噪声占总体噪声比例较大。然而，在螺旋桨噪声、水动力噪声、设备振动噪声的控制方面取得一定的成效后，舰艇的通水管路振动及辐射噪声就成为了影响舰艇隐秘工作的重要阻碍。
3.舰艇内部有着极其复杂的通水管路系统，覆盖范围广泛，并且通水管路系统中附件形式多，附件一般包括t型三通管、弯管、直管等，这些附件由于自身结构特征、设计加工和运行工况等原因，易引发管路流噪声及管路流激噪声，并且其噪声能量主要集中于中低频段，十分影响舰艇的隐秘性。
4.目前，主要是通过添加阻尼隔振、复合材料等控制方法对管路系统实现减振降噪，然而，由于这类控制技术逐渐成熟，降噪效果的提升空间有限，因此，需要从其他角度入手，对舰艇的通水管路进行消声降噪。也就是说，现有技术在对通水管路系统进行消声降噪的过程中，还未涉及通过对通水管路进行设计改进，来实现消声降噪。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于仿生原理的通水管路连接装置及安装方法，通过对通水管路中的连接装置进行设计改进，从而实现对通水管路系统进行消声降噪。
6.为了达到上述目标，本发明提供一种基于仿生原理的通水管路连接装置，包括管路流向变更段和设置在管路流向变更段内表面的仿生织构；
7.其中，管路流向变更段包括至少两个连接口，分别与通水管路进流管一端和管路出流管一端连接。
8.进一步地，仿生织构包括均匀分布在管路流向变更段内表面的若干个凸起结构。
9.进一步地，若干个凸起结构呈行或呈列设置于管路流向变更段的内表面。
10.进一步地，凸起结构为菱形柱。
11.进一步地，根据管路流向变更段的直径，按照第一预设比例对菱形柱的菱形面的边长进行设置。
12.进一步地，根据菱形柱的菱形面的边长，按照第二预设比例对菱形柱的高度进行设置。
13.进一步地，菱形柱的菱形面的第一对角线与管路流向变更段的轴线方向平行。
14.进一步地，菱形柱的菱形面的第一内角按照第一预设范围进行设置。
15.为了达到上述目标，本发明还提供一种基于上文所述的基于仿生原理的通水管路连接装置的基于仿生原理的通水管路连接装置安装方法，包括：
16.获取基于仿生原理的通水管路连接装置；
17.将基于仿生原理的通水管路连接装置的一端与管路进流段固定连接，将基于仿生原理的通水管路连接装置的另一端与管路出流段固定连接，其中，仿生织构的第一对角线与水流方向平行。
18.进一步地，获取基于仿生原理的通水管路连接装置，包括：
19.获取管路进流段的尺寸、管路出流段的尺寸以及待安装通水管路的流体流速；
20.根据管路进流段的尺寸和管路出流段的尺寸，确定管路流向变更段的尺寸；
21.根据管路流向变更段的尺寸和待安装通水管路的流体流速，确定仿生织构的尺寸、间距和数量，得到基于仿生原理的通水管路连接装置。
22.采用上述技术方案的有益效果是：本发明提供一种基于仿生原理的通水管路连接装置及安装方法，该装置包括管路流向变更段和设置在管路流向变更段内表面的仿生织构；其中，管路流向变更段包括至少两个连接口，分别与通水管路进流管一端和管路出流管一端连接。通过在管路流向变更段的内表面设置仿生织构，不仅能将大水柱分割成多个小水柱，减小了流体由于撞击管路产生的涡旋大小；并且通过仿生织构将大涡旋切割成小涡旋，降低了管路的流噪声，从而提高了对水管路系统进行消声降噪的效果。
附图说明
23.图1为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置一实施例的结构示意图；
24.图2为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置与外部的连接情况一实施例的结构示意图；
25.图3为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置与外部的连接情况另一实施例的结构示意图；
26.图4为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置另一实施例的结构示意图；
27.图5为本发明提供的仿生织构一实施例的结构示意图；
28.图6为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置安装方法一实施例的流程示意图；
29.图7为本发明提供的获取基于仿生原理的通水管路连接装置一实施例的流程示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“布置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.在陈述实施例之前，先对供水体系、舰艇的通水管路系统进行阐述：
35.供水体系一般是由引入管、给水管道、给水附件、配水设备、增压与贮水设备、计量仪表组成，能够按一定质量要求向需求用户提供水资源。
36.与普通的供水体系相比，舰艇的通水管路系统更加复杂，基于对隐秘性的需要，其对水流的流速、水声等要求更高。舰艇的通水管路系统中的附件主要包括t型三通管、弯管、直管，由于结构特征、设计加工和运行工况等原因，易引发管路流噪声及管路流激噪声，并且噪声能量主要集中于中低频段，十分影响舰艇的隐秘性。
37.一般情况下，当流体在管路中流动，需要进行流向变更时，通常会设置弯管或t形管来改变流体的流向，然而，流体撞击弯管或t形管实现流向变更时会产生较大的涡旋，从而导致产生管路噪声。
38.目前，主要是通过添加阻尼隔振、复合材料等控制方法对管路系统实现减振降噪，然而，由于这类控制技术逐渐成熟，降噪效果的提升空间有限，不能完全满足减振降噪的要求，因此，需要从其他角度入手，对舰艇的通水管路进行消声降噪。也就是说，现有技术在对通水管路系统进行消声降噪的过程中，还未涉及通过对通水管路进行设计改进，来实现消声降噪。
39.为了达到上述目标，本发明提供了一种基于仿生原理的通水管路连接装置及安装方法，以下分别进行详细说明。
40.如图1所示，图1为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置一实施例的结构示意图，基于仿生原理的通水管路连接装置100包括管路流向变更段101和设置在管路流向变更段101内表面的仿生织构102，其中，管路流向变更段101包括至少两个连接口，分别与通水管路进流管一端和管路出流管一端连接，管路流向变更段101用于改变流体的流动方向。
41.本实施例中，通过在管路流向变更段101中设置仿生织构102，一方面，由于仿生织构102能够在流体换向之前，能够将水柱分割成多个细小的水柱，降低了撞击到管路的流体的集中度，减小了流体由于撞击管路产生的涡旋大小；另一方面，仿生织构102能够将流体产生的大涡旋切割成小涡旋，单个小涡旋产生的噪声几乎可以忽略不计，所有小涡旋的噪声的叠加噪声也远小于大涡旋产生的噪声。因此，通过在管路流向变更段101中设置仿生织构102，降低了流体由于换向时撞击管路造成的噪声，并且将大涡旋切割成小涡旋，降低了管路的流噪声，从而提高了对通水管路系统进行消声降噪的效果。
42.优选地，管路流向变更段101至少包括一弯曲部分，该弯曲部分可以是但不限定为弯管、t型管、u型管等，需要说明的是，该管路流向变更段101还可以包括直管部分。
43.为了便于理解基于仿生原理的通水管路连接装置100与外部连接的方式，如图2所
示，图2为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置与外部的连接情况一实施例的结构示意图，基于仿生原理的通水管路连接装置200分别与管路进流段201和管路出流段202的一端连接，其中，x是流体流动的方向，管路进流段201和管路出流段202为直管。
44.流体在管路进流段201中按照管路方向流动，然后经过基于仿生原理的通水管路连接装置200时，在仿生织构的作用下，将大水柱切割成多个细小的水柱继续流动，然后在到达换向区域时，多个细小的水柱会在管壁的作用下产生涡旋，进一步地，由于仿生织构能切割涡旋，减小涡旋的大小，从而降低由于涡旋导致的噪声大小，最后，流体在基于仿生原理的通水管路连接装置200的作用下，不仅完成了换向，能够继续在管路出流段202中顺利流动，并且产生的噪声较小，有效提高了消声降噪的效果。
45.优选地，如图3所示，图3为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置与外部的连接情况另一实施例的结构示意图，基于仿生原理的通水管路连接装置300还可以分别与管路进流段301的输出端和管路出流段302的输入端连接，管路出流段302还可以包括两个连接端，从而实现基于仿生原理的通水管路连接装置300与t形管连接，其中，y是流体流动的方向，管路进流段301和管路出流段302为直管。
46.流体通过管路进流段301流向基于仿生原理的通水管路连接装置300时，在仿生织构的作用下，将流体的水柱切割成多个小水柱继续流动，到达换向区域的小水柱产生的涡旋较小，并且涡旋还能在仿生织构的作用下，进一步地被切割成多个更小的涡旋。因此，基于仿生原理的通水管路连接装置300还能够对t形管进行消声降噪。
47.在其他实施例中，基于仿生原理的通水管路连接装置还可以连接其他结构的管路，通过切割水柱，实现管路在转换流向时，减小由于撞击管路产生的涡旋的大小，从而对通水管路系统进行消声降噪。
48.作为优选的实施例，如图4所示，图4为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置另一实施例的结构示意图，其中，基于仿生原理的通水管路连接装置400包括管路流向变更段401和仿生织构402，管路流向变更段401的半径为r，仿生织构402的轴向排数为k，仿生织构402的周向相隔角度为β。
49.优选地，仿生织构402按照阵列分布在管路流向变更段401的内表面。
50.优选地，仿生织构402数量过少时，会使流体涡旋切割不充分；而仿生织构402数量过多，会加剧部分区域流动的紊乱，因此，还需要科学地设置每一排的布置数量n，其中，每一排的布置数量n计算公式为：
[0051][0052]
特别地，还需要保证各仿生织构之间留有一定的间距。
[0053]
优选地，管路流向变更段401的半径r的大小分别跟与之相连接的管路进流段和管路出流段相关，当管路进流段的半径大小与管路出流段的半径大小相等时，管路流向变更段401的半径r与其中任一半径大小相等；当管路进流段的半径大小与管路出流段的半径大小不相等时，管路流向变更段401的半径可以设置成喇叭状。
[0054]
其中，为了保证流体的正常流动，管路流向变更段401的内径没有突变的位置，即，管路流向变更段401的内径可以是固定不变的，还可以设置为喇叭状，呈渐变式。
[0055]
优选地，仿生织构为菱形柱，如图5所示，图5为本发明提供的仿生织构一实施例的
结构示意图，其中，仿生织构500的边长为s、高度为h和第一内角为α。
[0056]
优选地，根据不同的管路工况，即流体流速的不同，仿生织构500的尺寸过小或过大也会造成对流体切割不充分或是加剧部分区域流动的紊乱，无法保证减振降噪的效果，因此，仿生织构500的尺寸还需要与管路流向变更段的尺寸进行匹配，才能合理地对水柱进行切割，从而提高降噪效果。
[0057]
优选地，仿生织构500菱形面的边长s与管路流向变更段的直径r按照第一预设范围进行设置，其中，第一预设值是指菱形面的边长s与管路流向变更段的直径r的比值，为了保证菱形柱的切割效果，第一预设值的范围为[0.005，0.02]。
[0058]
优选地，菱形柱的菱形面的边长s和菱形柱的高度h按照第二预设范围进行设置，其中，第二预设值是指菱形柱的菱形面的边长s和菱形柱的高度h的比值，为了保证菱形柱的切割效果，第二预设值的设置范围为[0.77，3.83]。
[0059]
在一具体实施例中，当第二预设值为2.30时，仿生织构降噪效果最佳。
[0060]
优选地，当菱形柱的第一内角α过小时，可以对弯曲处的涡旋充分切割，但是产生了过多的小涡旋，加剧了管路附件流场扰动；当菱形柱的第一内角α过大时，对流场旋涡的分割效果较差，无法保证减振降噪的效果，因此，对菱形柱的菱形面中的第一内角α按照第三预设范围进行设置，其中，第一内角α的设置范围为[30
°
，120
°
]。
[0061]
优选地，仿生织构的形状特征来源于水生生物表皮结构，研究表明，鲨鱼、海豚、河豚等生物的皮肤均具备特殊的非光滑结构，可以在游行过程中明显降低阻力，其中，通过对河豚表皮附近的流场结构变化，发现其表皮结构能够对近壁面流体产生扰动，对其表皮结构尺寸进行放大及简化，形成一种将菱形沿法线拉伸而成的六面体结构仿生织构。
[0062]
仿生织构可以改善出流段的流速分布，抑制壁面速度过大引起的流体分离现象，减少涡量的产生；其次弯曲处大尺度涡旋也会被仿生织构切割成大量小尺度涡旋。
[0063]
本发明对管路系统进行减振降噪的理论基础为powell涡声方程：
[0064][0065]
其中，p为流体中的声压，c为流体中的声速，t为流动时间，ρ0为流体密度，w为流体的旋转矢量，u为流体的速度矢量。
[0066]
powell涡声方程将声源与旋转矢量、速度矢量联系起来，并且可以看出，低ma数下的湍流发声主要由涡旋结构运动产生，与其流动柯氏加速度的强度分布紧密相关。因此，将流体涡团的速度变化进行调控，减少流体中的流速变化，能够有效的抑制流体涡旋发声。
[0067]
由上述powell涡声方程可知，小涡旋相比于大涡漩，在流动过程中更容易耗散，耗散过程中释放能量也更小，并且可以使管路附件中的速度场分布更均匀，能够有效的降低管路附件的流噪声。
[0068]
本实施例中，通过将仿生织构设置成菱形柱，将水生生物表皮结构中能够减少阻力的结构进行放大，从而利用仿生技术实现对通水管路系统进行消声降噪。
[0069]
在一具体实施例中，菱形柱的菱形面的第一对角线与管路流向变更段的轴线方向平行，其中，第一对角线为较长的对角线。
[0070]
也就是说，为了方便切割，提高仿生织构的切割效果，按照流体运动的方向设置菱形柱，菱形柱的第一对角线与流体运动的方向平行，使得流体在经过菱形柱后能够将水柱
切割成多个零散的小水柱。
[0071]
在一具体实施例中，菱形柱呈行或呈列设置，并且菱形柱的第一对角线相互平行，两个菱形柱之间的间距相等。通过有序地设置菱形柱，形成均匀小水柱，并且在将大涡旋切割成小涡旋时，流体能够规律流动，避免切割后的涡旋之间相互影响，从而提高通水管路系统消声降噪的效果。
[0072]
通过上述方式，通过在管路流向变更段的内表面设置仿生织构，不仅能将大水柱分割成多个小水柱，减小了流体由于撞击管路产生的涡旋大小；并且通过仿生织构将大涡旋切割成小涡旋，降低了管路的流噪声，从而提高了对通水管路系统进行消声降噪的效果。
[0073]
为了达到上述目标，本发明还提供了基于上文所述的基于仿生原理的通水管路连接装置的基于仿生原理的通水管路连接装置安装方法，如图6所示，图6为本发明提供的基于仿生原理的通水管路连接装置安装方法一实施例的流程示意图，包括：
[0074]
步骤s101：获取基于仿生原理的通水管路连接装置。
[0075]
步骤s102：将基于仿生原理的通水管路连接装置的一端与管路进流段固定连接，将基于仿生原理的通水管路连接装置的另一端与管路出流段固定连接，其中，仿生织构的第一对角线与水流方向平行。
[0076]
本实施例中，将基于仿生原理的通水管路连接装置固定设置在管路进流段和管路出流段之间，充分利用基于仿生原理的通水管路连接装置减小管路中产生的涡旋的大小，实现对通水管路系统进行消声降噪。
[0077]
作为优选的实施例，在步骤s101中，为了获取基于仿生原理的通水管路连接装置，如图7所示，图7为本发明提供的获取基于仿生原理的通水管路连接装置一实施例的流程示意图，获取基于仿生原理的通水管路连接装置包括：
[0078]
步骤s111：获取管路进流段的尺寸、管路出流段的尺寸以及待安装通水管路的流体流速。
[0079]
步骤s112：根据管路进流段的尺寸和管路出流段的尺寸，确定管路流向变更段的尺寸。
[0080]
步骤s113：根据管路流向变更段的尺寸和待安装通水管路的流体流速，确定仿生织构的尺寸、间距和数量，得到基于仿生原理的通水管路连接装置。
[0081]
本实施例中，根据管路进流段的尺寸和管路出流段的尺寸，初步确定管路流向变更段的尺寸；然后，通过管路流向变更段的尺寸和流体流速，结合其与仿生织构的尺寸、间距和数量的关系，确定管路流向变更段中的仿生织构的尺寸和设置参数，从而得到基于仿生原理的通水管路连接装置。通过仿生织构的设置参数与已有的管路进流段和管路出流段的关系，确定能够满足减振降噪需求的基于仿生原理的通水管路连接装置，从而提高减振降噪效果。
[0082]
作为优选的实施例，在步骤s102中，固定连接包括螺纹连接、焊接、键连接和销连接。
[0083]
在其他实施例中，还可以通过其他方式进行连接。
[0084]
经试验发现，通过上述方式进行减振降噪，降噪效果明显，尤其是在低频段，在10-1000hz内，总声压级也由111.35db降低至105.49db，降低了5.86db噪声声压级。
[0085]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。