冷卻塔消聲器阻力特性研究

魏 軻,蘇中地

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

大型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔的噪聲主要包括三部分:機(jī)力風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲、淋水噪聲和傳動(dòng)部件產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。目前利用吸聲材料降低噪聲是實(shí)際中常用的一種措施,吸聲材料主要分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu),共振吸聲結(jié)構(gòu)主要為用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。在冷卻塔消聲領(lǐng)域廣泛采用穿孔壁面通道(Perforated Liner Ducts, PLD)的形式[1-3],其結(jié)構(gòu)主要為穿孔板和在穿孔板背后空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料,這種結(jié)構(gòu)使其具有較寬的消聲頻帶和良好的消聲性能等特點(diǎn)[4,5],在空腔內(nèi)填充的吸聲材料,可以增大穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)并擴(kuò)大吸聲頻率范圍,顯著提高吸聲性能[6-7]。實(shí)際中評(píng)價(jià)消聲器的性能指標(biāo)主要采用聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能。在流動(dòng)方面,消聲器穿孔壁面通道帶來(lái)了較大的壓力損失,且沒(méi)有完整的公式可以進(jìn)行精確的計(jì)算,這對(duì)冷卻塔消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困擾。

目前冷卻塔消聲器內(nèi)部通道的阻力特性研究較少,相關(guān)研究可參考無(wú)穿孔板內(nèi)襯的片式消聲器和直通式穿孔管消聲器。針對(duì)片式消聲器的阻力特性研究。沈保羅[1]對(duì)其壓力損失進(jìn)行估算時(shí),將吸聲材料構(gòu)成的壁面等效為粗糙壁面,利用沿程阻力公式,得到流體通過(guò)片式消聲器的壓力損失。Li[8]在計(jì)算中假設(shè)吸聲材料內(nèi)無(wú)流體流入,將吸聲材料所構(gòu)成的壁面粗糙度等效于玻璃絲棉粗糙度,對(duì)其阻力進(jìn)行研究,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,誤差小于10%。針對(duì)直通式消聲器,董家寧[9]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法得到增加空腔深度會(huì)帶來(lái)更大的壓力損失,且穿孔壁面也會(huì)帶來(lái)更大的沿程摩擦阻力。趙世舉[10]對(duì)不同孔徑、穿孔率的直通穿孔管消聲器進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)增大穿孔率,流體壓力損失會(huì)增加;孔徑對(duì)消聲器壓力損失影響較小,孔徑減小,壓力損失呈微小的降低。趙月[11]利用FLUENT仿真軟件模擬流動(dòng),發(fā)現(xiàn)突擴(kuò)管中,突擴(kuò)比對(duì)管道的局部阻力具有很大的影響。黃繼嗣[12]通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器的聲學(xué)性能和阻力特性,發(fā)現(xiàn)采用漸擴(kuò)漸縮結(jié)構(gòu)改善消聲器的結(jié)構(gòu),降低了阻力損失。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)冷卻塔消聲器穿孔壁面通道的阻力特性進(jìn)行研究,特別是研究通道的漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)部分。在不同漸擴(kuò)角度的條件下,考慮渦分離的效應(yīng),得到未分離情況下的最大角度,然后采用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)消聲器出口段的突擴(kuò)結(jié)構(gòu),對(duì)傳統(tǒng)冷卻塔消聲器通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以降低管道壓力損失。

1 冷卻塔消聲器內(nèi)部通道的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

工程中評(píng)價(jià)消聲器的性能指標(biāo)主要采用聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力性能,也即在所需頻率范圍內(nèi)消聲器需要吸收的消聲量越大越好,同時(shí)消聲器內(nèi)部通道對(duì)氣流的阻力越小越好。管道的阻力損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失,對(duì)于沿程阻力損失,工程設(shè)計(jì)中,一般采用達(dá)西公式計(jì)算管道沿程阻力損失:

(1)

式(1)中,L為管道長(zhǎng)度,d為管道直徑,ρ為流體密度,v為對(duì)應(yīng)截面的平均流速,g為重力加速度,λ為沿程摩擦阻力系數(shù),可由經(jīng)驗(yàn)公式給出。一般也用流速水頭來(lái)表示局部阻力損失,計(jì)算公式如下:

(2)

其中，ζ為局部損失系數(shù)。管道的中的總壓力損失:

hw=hf+hj。

(3)

傳統(tǒng)的冷卻塔消聲器通道主要是采用直通式。對(duì)于這種方式,為了改善低頻吸聲效果,最直接的方法便是增加吸聲體的厚度。對(duì)于直通段來(lái)說(shuō)就是讓穿孔板背后的吸聲體占比增大,吸聲體體積增加,流體通道寬度減小,通道流速增大,根據(jù)達(dá)西公式可知,沿程阻力損失也會(huì)增加。對(duì)出口部分來(lái)說(shuō),當(dāng)吸聲體體積增大的同時(shí),不僅通道中的流速增加,而且局部損失系數(shù)增加,此時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的局部損失,總壓損也會(huì)明顯增加。

對(duì)傳統(tǒng)冷卻塔消聲器內(nèi)部通道優(yōu)化的同時(shí),保證吸聲體的體積占比增加,即吸聲效果增加,但從進(jìn)口到出口的總壓損不變或者不能有較大的增加,因此主要是在直通段盡量使得通道越窄越好,在出口段采用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)消聲器尾端突擴(kuò)結(jié)構(gòu),以?xún)?yōu)化消聲器的聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能。當(dāng)流體流過(guò)漸擴(kuò)管時(shí)管道截面漸漸變大,此時(shí)處于逆壓梯度區(qū)動(dòng)量需要克服逆壓,且在靠近壁面處,由于流速小,存在靠近壁面處出現(xiàn)倒流,產(chǎn)生損失,且角度越大,損失越大。因此，需要尋找一個(gè)最佳的角度,避免流體在壁面處產(chǎn)生流動(dòng)分離。

1.1 物理模型

研究對(duì)象為一個(gè)長(zhǎng)1 546 mm,高10 cm的截面通道,其中穿孔壁面直通段長(zhǎng)度為110 cm,傾斜段長(zhǎng)度為45 cm,非穿孔壁面直通段上下游長(zhǎng)度分別為3 000 mm和1 500 mm,如圖1、圖2。

圖1 物理模型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the physical model structure

圖2 局部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of the partial structure

其中為擴(kuò)張角度,穿孔板穿孔率為20%,孔徑3 mm,穿孔板壁厚0.8 mm,其結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 穿孔板結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of perforated plate structure

實(shí)際通道中穿孔板緊貼光滑板,理論上存在氣體進(jìn)入穿孔孔徑,但流量很小。本文假設(shè)氣流不流入穿孔板孔徑，希望考察擴(kuò)張段角度變化對(duì)管道阻力損失的影響。物理模型改變量為擴(kuò)張段角度,調(diào)節(jié)角度觀察最大的未發(fā)生流動(dòng)分離的擴(kuò)張角度。

1.2 網(wǎng)格劃分和流體仿真計(jì)算

利用SolidWorks軟件畫(huà)出流體域,并采用ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,均采用解耦合網(wǎng)格,并在幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化處進(jìn)行網(wǎng)格局部加密,分別進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格數(shù)需在300萬(wàn)以上。取網(wǎng)格數(shù)量為310萬(wàn),進(jìn)口設(shè)置為velocity-inlet,入口速度設(shè)置為8 m/s;出口設(shè)置為outflow;通道的表面粗糙度設(shè)置為1 mm。模型以外通道均設(shè)置為symmetry。采用k-ε模型,壓力和速度耦合方式選取SIMPLEC算法。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性以及更進(jìn)一步觀察通道內(nèi)的流場(chǎng)特性,進(jìn)行漸擴(kuò)角度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。

圖4 穿孔板實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure 4 Perforated plate experimental device

本次測(cè)量主要是測(cè)量沿流向速度分布,觀察在光滑管壁面緊貼穿孔板情況下,漸擴(kuò)部分的擴(kuò)張角在多大的范圍內(nèi)流動(dòng)不發(fā)生分離。

實(shí)驗(yàn)借助于開(kāi)路式低速風(fēng)洞進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)時(shí)將該管道外接于風(fēng)洞的試驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)改變量主要是調(diào)節(jié)擴(kuò)張段角度使其分別為0°、8°、10°,和數(shù)值仿真時(shí)擴(kuò)張段角度一致。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5。

圖5 漸擴(kuò)角度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 5 Schematic diagram of experimental device for progressive expansion angle verification

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),點(diǎn)1.5所在位置為速度監(jiān)測(cè)點(diǎn),沿流動(dòng)方向布置9個(gè)測(cè)量點(diǎn)(加點(diǎn)的位置),為了更精確的測(cè)量臺(tái)階的影響,臺(tái)階前后分別測(cè)量一個(gè)點(diǎn),即點(diǎn)5和點(diǎn)6,除點(diǎn)1.5外,其他點(diǎn)位置利用微差壓計(jì)測(cè)量各個(gè)點(diǎn)位的速度分布和靜壓,數(shù)值可以讀取到小數(shù)點(diǎn)后兩位。各個(gè)點(diǎn)位示意圖如圖6。在測(cè)量沿軸向速度分布時(shí),在每個(gè)點(diǎn)位處,在該位置打孔,從上表面開(kāi)始測(cè)量,每隔2 cm測(cè)量不同深度的速度,在速度波動(dòng)較大處,按照實(shí)際情況縮小不同深度之間的間距。

圖6 實(shí)驗(yàn)段點(diǎn)位示意圖Figure 6 Schematic diagram of experimental segment

為了保證結(jié)果的可靠性,調(diào)節(jié)通道點(diǎn)1.5處的流速為16 m/s,其中實(shí)驗(yàn)段穿孔板參數(shù)與數(shù)值模擬所用取值相同。

2 數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)入口速度為8 m/s時(shí),三種擴(kuò)張角度下的總壓云圖如圖7至圖9,單位為Pa。觀察冷卻塔消聲器內(nèi)部壓力云圖,根據(jù)圖7可以得到,漸擴(kuò)角度為0°時(shí)也就是突擴(kuò)結(jié)構(gòu),直通段部分壓力梯度沒(méi)有變化較大,壓力處于相對(duì)均勻的狀態(tài),但在截面突變處總壓梯度有較大的變化,因此出口阻力損失增大,則總的壓力損失也會(huì)增大。根據(jù)圖8和圖9可知,在擴(kuò)張角度為8°和10°的情況下,總壓梯度沒(méi)有較為明顯的梯度變化,壓力損失分別降低了17.92 Pa和13.09 Pa,可以看出漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)代替突擴(kuò)結(jié)構(gòu)可以減少壓力損失。

圖7 0°總壓云圖Figure 7 0°total pressure cloud image

圖8 8°總壓云圖Figure 8 8°total pressure cloud image

圖9 10°總壓云圖Figure 9 10° total pressure cloud image

當(dāng)入口速度為8 m/s,冷卻塔消聲器內(nèi)部流線圖如圖10至圖12。可以看出擴(kuò)張段角度為0°時(shí),出口段存在較大的渦流區(qū)域,渦流更明顯,因此壓力損失就會(huì)增大。擴(kuò)張角為8°和10°時(shí),

圖10 0°流線圖Figure 10 0° streamline diagram

圖11 8°流線圖Figure 11 8° streamline diagram

圖12 10度流線圖Figure 12 10° streamline diagram

兩種結(jié)構(gòu)的速度矢量圖區(qū)別不明顯,且都只在臺(tái)階后側(cè)產(chǎn)生較小的渦流區(qū),進(jìn)一步驗(yàn)證了漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)可以改善流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

在漸擴(kuò)段角度為0°,8°,10°三種工況情況下,將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的各角度下的截面速度分布,采用數(shù)值積分求取截面的流量平均總壓,將各個(gè)角度下總壓的結(jié)果匯總于表1。將表1繪制曲線圖如圖13。

表1 各個(gè)角度下總壓沿流向分布

圖13 3種工況下流量平均總壓曲線圖Figure 13 Average pressure curve under three working conditions

實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的各個(gè)角度下的壓力損失值和仿真值的誤差大小均小于10%,且以下幾方面可造成誤差的幾個(gè)元素:實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)1.5的速度是測(cè)量中間位置的瞬時(shí)值、亞克力板表面穿孔板加工時(shí)由于手工鉆孔和微差壓計(jì)讀取每10 s的平均值,數(shù)值有微小的波動(dòng)等各方面的元素會(huì)造成一定的誤差。

根據(jù)圖13可知,擴(kuò)張角為0°時(shí),直通段部分壓力損失曲線平緩,并未有較大的波動(dòng),在點(diǎn)5處,總壓曲線突變,出現(xiàn)了明顯的壓降,測(cè)量此點(diǎn)位的速度分布,臺(tái)階處測(cè)量到速度為負(fù)數(shù)的情況,出現(xiàn)了流動(dòng)分離,局部阻力損失和總壓損失增大。擴(kuò)張角為10°時(shí),在點(diǎn)2到點(diǎn)3之間,總壓曲線有波動(dòng),測(cè)量速度分布發(fā)現(xiàn)流動(dòng)分離,且擴(kuò)張段點(diǎn)3以后在穿孔壁面附近均測(cè)量到速度為負(fù)數(shù)的情況。8°工況下,總壓降曲線光滑,并未見(jiàn)到較大的波動(dòng),沒(méi)有出現(xiàn)較大的壓降,測(cè)量各個(gè)點(diǎn)位的速度分布,皆未測(cè)量到速度為負(fù)數(shù)的情況。三種角度的速度沿流向分布圖如圖14、圖15和圖16。對(duì)擴(kuò)張角度為8°和10°的總壓曲線分析發(fā)現(xiàn),其在點(diǎn)5和點(diǎn)6直接曲線平滑,并沒(méi)有較大的壓降,可見(jiàn)擴(kuò)張段小臺(tái)階的存在并未引起過(guò)多的流動(dòng)損失。

圖14 擴(kuò)張角0°流向速度分布圖Figure 14 Expansion 0° flow velocity distribution map

圖15 擴(kuò)張角8°流向速度分布圖Figure 15 Expansion 8° degree flow velocity distribution map

圖16 擴(kuò)張角10°流向速度分布圖Figure 16 Expansion 10° degree flow velocity distribution map

3 結(jié) 論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法研究了冷卻塔消聲器穿孔壁面通道的阻力特性,特別是研究通道的擴(kuò)張結(jié)構(gòu)部分。傳統(tǒng)冷卻塔消聲器內(nèi)部流通通道往往采用直通式。在氣流通過(guò)直通段時(shí),這部分損失是流體沿程粘性阻力產(chǎn)生的損失,而在直通段尾端,截面突變,此時(shí)的局部的壓力梯度變化較大,產(chǎn)生較大的局部壓損,管道進(jìn)出口壓差較大。因此，冷卻塔消聲器壓力損失大。在對(duì)傳統(tǒng)冷卻塔消聲器內(nèi)部通道優(yōu)化時(shí),直通段通道可以修窄來(lái)提高總的消聲器體積,在出口段通過(guò)對(duì)冷卻塔消聲器內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選擇漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)代替突變結(jié)構(gòu),冷卻塔消聲器內(nèi)部通道漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)部分?jǐn)U張段后的小臺(tái)階的存在并不會(huì)引起過(guò)大的壓力損失。因此，合理的選擇漸擴(kuò)段的角度,能夠有效降低冷卻塔消聲器的壓力損失,提高其空氣動(dòng)力學(xué)特性。