直接空冷系統噪聲分析及估算

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統噪聲分析及估算

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統的噪聲主要包括風機群的氣動噪聲，其中偶極子聲源占主導地位。利用Fluent聲學模塊對空冷島進行了流場模擬和噪聲估算，可以看出Fluent可對流場進行有效模擬，可考慮采取降低低頻噪聲的方式來改善直冷系統對周圍環境的影響。

直接空冷；氣動噪聲；流場分析；噪聲估算；風機群；低頻噪聲

0 引言

我國燃煤電廠受到水資源的制約較為嚴重，而1座濕冷電廠的耗水量相當于10～15座同容量空冷電站的耗水量，所以發展空冷技術是解決這一問題的重要途徑[1]。電廠空冷技術經過了多年發展，技術已經日臻成熟，且在我國北方缺水地區得到了應用[2]。其中，直接空冷系統是采用機械通風強迫對流方式對汽輪機的排汽進行冷卻，通常1臺直接空冷機組需要配置數十臺軸流風機，而直接空冷系統在運行時會產生相當大的噪聲，是電廠的主要噪聲源。因此，直接空冷風機群產生的噪聲已成為公害之一[3]。風機群噪聲在廠界內是否滿足廠界噪聲環境標準是影響直接空冷系統及建設的重要問題。

1 噪聲分析

直接空冷系統的噪聲主要是由軸流風機群高速運轉產生的。軸流風機的噪聲主要為機械噪聲和空氣動力性噪聲。機械噪聲包括電動機噪聲、傳動件引起的噪聲、風機葉輪不平衡所引起的振動噪聲等。空氣動力性噪聲主要包括離散噪聲和寬帶噪聲，前者與葉輪的旋轉有關，具有離散的頻譜特性，后者是由于氣流流動時的各種渦流分離產生的，是一種頻率連續變化的寬頻噪聲。根據氣動聲學萊特希爾基本方程可知，風機葉片噪聲是由3種典型聲源組成的，分別是單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。大量試驗和實踐證明，偶極子聲源占主導地位。

近年來，隨著計算流體動力學(CFD)的快速發展，給我們提供了一種通過建立流場模型來模擬風機運行時的流場分布，來探討最佳風機配置方案的方法[4]。本文根據現場某電廠實際配置方案，建立了5×6臺風機規模的直接空冷島模型。利用Fluent軟件對直接空冷島模型進行了流場模擬，并通過聲學模塊對空冷島噪聲進行了估算。

2 模型的建立及網格劃分

本文采用Gambit軟件和網格處理軟件建立了模型，并且為模型繪制了網格。依據直接空冷系統空冷島的實際布置方式，建立了計算域內的幾何模型如圖1所示：擋風墻設置為wall，換熱翅片管束簡化為radiator平面，風機也簡化為面，設置為fan。按照實際尺寸進行建模，盡可能地反映了電廠直接空冷島的真實情況。幾何模型采用了足夠大的計算域，以消除計算邊界的影響。模擬對象為三維模型，繪制了精確的網格，設定了準確的邊界條件。本文的計算域采用四面體和六面體網格，遵循點線面體的原則逐步繪制，整個過程兼顧到計算條件和計算精度，選擇了合適的網格間距，同時對多尺度計算數據的傳遞有較好的連續性。本文模型中的空冷島及其周圍區域采用適應性較強的四面體網格，如圖2所示，其他區域則采用質量較好的六面體網格。

圖1 空冷島模型

3 流場分析及噪聲估算

在數值計算過程中，空氣被認為是不可壓縮的理想流體，流體在固體壁面上無滑移，流動為湍流流動。在進行氣動噪聲的模擬時，為縮短計算時間，首先經過穩態計算流場穩定后再進行非穩態計算，待計算穩定后再開啟聲學模塊進行噪聲估算。穩態計算中紊流模型采用RNGk-ε模型，壓力-速度的耦合采用SIMPLE算法。噪聲估算采用的是非穩態隱式求解，紊流模型采用LES大渦模型，采用PISO算法計算。

圖2 空冷島部分網格劃分

3.1 LES模型

LES的基本假設：(1)動量、能量、質量及其他標量主要由大渦輸運。(2)流動的幾何和邊界條件決定了大渦的特性，而流動特性主要在大渦中體現。(3)小尺度渦旋受幾何和邊界條件影響較小，并且各向同性；大渦模擬過程中，直接求解大渦，小尺度渦旋模擬，從而使得網格要求比DNS低。

LES控制方程如下：

(1)

(2)

3.2 FW&H模型

LES的基本假設：Fluent 中用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬聲音的產生與傳播，這個方程中采用了Lighthill 的聲學近似模型。FW&H方程如下：

(3)

式中：p′為遠場聲壓，Pa；a0為遠場聲速，m/s；Tij為Lighthill壓力張量，Pa；H(f)為亥維賽函數；pij為壓應力張量，Pa；nj為指向外部的單位法向量；δ(f)為狄拉克得爾塔函數；ui為xi方向流速分量，m/s；un為垂直于f=0表面的流速分量，m/s；vn為垂直于表面的表面速度分量，m/s；ρ0為未振動流體密度，kg/m3。

3.3 FW&H模型計算結果及分析

穩態計算收斂后的壓力及流線分布如圖3所示。選取y=0截面，從圖3中可以看出，空氣在流動過程中偏轉最大的區域在空冷島兩側空氣入口處，此處的壓力也是最低的。而空冷單元的A型區域由于流道有遮擋，阻力增大，導致空氣流動產生阻塞，在此處形成高壓，而在換熱翅片管束出口處形成低壓區。y=0截面的溫度場分布如圖4所示。

由圖4可以看出，高溫區呈錐形分布。從模擬結果來看，與實際空冷島的流場分布情況是比較符合的。

圖3 y=0截面壓力及流場分布(截屏圖)

圖4 y=0截面溫度場(截屏圖)

氣動噪音的生成和傳播可以通過求解可壓N-S方程的方式進行數值模擬。然而聲波的能量與氣流流動的能量相比要小幾個數量級，客觀上要求氣動噪音計算所采用的格式應有很高的精度，同時從音源到聲音測試點劃分的網格也要足夠精細。因此，進行直接模擬對系統資源的要求很高，而且計算時間也很長。為了彌補直接模擬的這個缺點，本文采用了Lighthill的聲學近似模型，將聲音的產生與傳播過程分別進行計算，從而達到加快計算速度的目的[5]。

本文采用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬聲音的產生與傳播，這個方程中采用了Lighthill的聲學近似模型。Fluent采用在時間域上積分的辦法，在接收聲音的位置上，用2個面積分直接計算聲音信號的歷史。這些積分可以表達聲音模型中單極子、偶極子和四極子等基本解的分布。積分中需要用到的流場變量包括壓強、速度分量和音源曲面的密度等，這些變量的解在時間方向上必須滿足一定的精度要求。滿足時間精度要求的解可以通過求解非定常雷諾平均方程(URANS)獲得，也可以通過大渦模擬(LES)或分離渦模擬(DES)獲得。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三維經過修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運動特性，而對小渦旋運動還采用上述的模型。音源表面既可以是固體壁面，也可以是流場內部的一個曲面。聲音的頻率范圍取決于流場特征、湍流模型和流場計算中的時間尺度。基于LES模型的基本假設，Fluent 中用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬了聲音的產生與傳播，這個方程中采用了Lighthill的聲學近似模型。

4 流場分析及噪聲估算

氣動噪聲的計算大體上可以分為兩大步：首先通過流場計算，求出滿足時間精度要求的各相關變量(壓強、速度和密度)在音源曲面上的變化過程；然后利用求出的音源數據計算聲音接收點處的聲音壓強信號。

本文在直接空冷島模型中選取了6個接收點，分別為X軸和Y軸方向離空冷島0，100，200 m的6個點，計算了常規空冷島的噪聲分布情況，并對不同距離的聲壓級噪聲進行了對比。如圖5所示，直接空冷島噪聲主要集中在500～2 000 Hz，高頻噪聲衰減較快。

圖5 空冷島噪聲分布

5 結論

通過計算可以看出，Fluent可以對流場進行有效模擬，可以考慮采取降低低頻噪聲的方式來改善直冷系統對周圍環境的影響。

工程中控制噪聲的方式一般有2種，一種是降低噪聲源的噪聲，另一種是控制噪聲的傳播。對直接空冷島來說，聲源噪聲可以是通過改變風機結構(葉片型式、數量、角度等參數)、優化管束布置等進行控制。控制噪聲的傳播則主要是通過安裝消音器、加裝隔聲罩、布置吸音材料等。

本文通過搭建直接空冷島噪聲的流場模型，給相關研究人員進行多方案比較、選擇最優方案提供了一個可供借鑒的解決方案。

[1]束紅，陳杰.直接空冷與間接空冷機組的工程造價及經濟性分析[J].山東電力高等專科學校學報，2011,14(6):35-39.

[2]馬義偉.發電廠空冷技術的現狀與進展[J].電力設備，2006,7(3):5-7.

[3]王佩璋.600 MW火電直接空冷風機的噪聲及降噪措施[J].電力環境保護，2002,18(4):26-29.

[4]劉悅衛，陸森林，左言言.基于Fluent的高速列車氣流噪聲數值模擬[J].機械制造與自動化，2015，44(5):127-130.

[5]汪怡平，谷正氣，李偉平，等.汽車氣動噪聲數值計算分析[J].汽車工程，2009，31(4):385-388.

(本文責編：白銀雷)

2017-03-23；

2017-07-11

TK 83

B

1674-1951(2017)08-0029-03

崔超(1980—)，男，河南商丘人，高級工程師，工學碩士，從事電廠空冷、煙氣污染物控制技術等方面的工作(E-mail:cuic@cdte.com.cn)。