導流板對火電廠煙道氣動噪聲特性影響的模擬研究

黃汝玲， 李官鵬， 王兆陽， 安春國， 郭 暢， 高 明

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司， 濟南 250013； 2. 齊魯工業大學(山東省科學院) 能源與動力工程學院， 濟南 250353； 3. 山東大學 能源與動力工程學院 高效節能及儲能技術與裝備山東省工程實驗室， 濟南 250061)

火電廠煙風道是用于輸送煙氣、冷風等介質的重要通道，既要承受煙氣與冷風壓力、自重與積灰(僅煙道)等荷載，還要承受煙風氣產生的熱應力，受力情況非常復雜，其設計結構不但影響著煙風系統阻力，還會影響與煙風道相連的各設備運行狀態[1-2]。同時，煙風道本身表面積大，相應的輻射噪聲聲功率較大，其運行中產生的噪聲具有高噪聲、噪聲穩定、輻射面大等特點。因此，針對煙風道的噪聲特性，研究其降噪方案設計，對其他類似管路系統的噪聲研究具有一定的指導意義。

在流場優化和噪聲控制方面，導流結構是一項重要構件，可以提高流體在流動過程中的穩定性和分布均勻性。導流罩和導流板均是常見的導流結構，可應用于車輛行駛的減阻降噪優化[3-4]或其他空間噪聲源的噪聲特性研究[5]，此外，導流板還可用于各種腔體和管道的流場優化及噪聲控制[6-8]。由于煙氣在煙道彎頭及分支結構部位會產生漩渦運動，導致煙氣在煙道內流動紊亂，引發煙道系統的振動和噪聲[9]，因此導流板是電廠煙風道的重要內構件之一，一般安裝在煙道彎管處，引導氣流流動、提高管內氣流分布均勻性并降低噪聲。

目前，針對管道內導流板的研究主要集中在利用導流作用改善流動特性。潘伶等[10]研究了導流板及不同優化方案對選擇性催化還原(SCR)脫硝反應器煙道內部的影響，結果表明，優化后的導流板組件可以改善煙道內氣流分布特性，減小壓降，改善出口速度不均勻性。陽君等[11]在列管式煙氣-煙氣換熱(GGH)換熱器煙道內部加設導流板和布風板，研究表明，改造后的煙道煙氣速度均勻度和偏態系數有所減小，可抑制彎管及變截面引起的流動分離現象，避免產生大渦流，使煙氣更加均勻地進入換熱器系統。張昊[12]和劉璐璐等[13]研究了導流板對流激孔腔噪聲的影響，驗證了導流板在噪聲控制方面的作用。丁杰等[14]在某地鐵車輛輔助變流器的風道內添加導流板，通過仿真分析和試驗驗證的方法證明添加導流板可以增加有效吸聲面積，提升降噪效果。

目前，對于典型管道氣動噪聲的研究較少，導致電廠煙風道的噪聲控制改造缺乏可靠的理論研究和改造方案參考。筆者主要研究煙道彎管內部導流板組件對氣動噪聲的影響，研究成果可為電廠煙風道等管道的噪聲優化改造提供指導。

1 煙道模型

本文研究對象為某電廠引風機后的煙道，其表壓力約為3.945 kPa，溫度約為113 ℃，入口流速約為31.11 m/s，具體尺寸如圖1所示。為研究導流板對煙道氣動噪聲的影響，建立煙道三維幾何模型，并在第1節和第2節矩形彎管內部安裝2組導流板組件，如圖2所示。每塊導流板的半徑和弧度見表1。

(a) 正視圖

(a) 第1節矩形彎管

2 數值模擬方法

2.1 流場模擬

采用Fluent軟件模擬煙道內流場，在此過程中，煙道進口采用速度進口條件，出口采用自由出流條件，壁面為無滑移壁面條件[15-16]。定常模擬采用穩定性和經濟性較好、適用范圍廣的標準模型。收斂定常模擬后，基于大渦模擬進行非定常流場模擬，其中亞格子模型選擇WALE模型。

表1 導流板尺寸

2.2 聲場模擬

基于自由空間格林函數求解FW-H方程獲得聲場信息，其表達式如下：

(1)

式中：等號右側依次為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源，其中偶極子聲源在管道流動噪聲中起主導作用[17]。此外，a0為聲音在空氣中的傳播速度；p′為聲壓；vn為流體速度在控制面法向的投影；un為控制面法向速度分量；nj為單位法向量；δ(f)為狄拉克δ函數；H(f)為赫維賽德函數；f為固體邊界函數；pij為應力張量；Tij為Lighthill應力張量；xi，xj分別為空間點的坐標軸分量；t為時間；ρ為密度。

在非定常計算收斂的基礎上，激活Fluent聲學模塊中的FW-H方程[18-19]來計算煙道外氣動噪聲。計算聲壓級和總聲壓級用于后續分析，其計算公式分別為：

(2)

(3)

式中：Ls和Lp分別為聲壓級和總聲壓級；Pef為有效聲壓；Pref為參考聲壓(空氣中為2×10-5Pa)；nm代表頻率數量。

2.3 網格劃分及無關性分析

為研究2組導流板組件的數量和位置對煙道氣動噪聲的影響，首先改造該煙道的前半段，基于ICEM軟件，分別對原始煙道、改變導流板位置和改變導流板數量(依次變化為2塊、6塊和8塊)的煙道劃分六面體結構化網格，如圖3所示。通過對比不同網格數量下煙道外與進口中心水平距離1 000 mm處的氣動噪聲，進行網格無關性分析，結果見表2。由表2可知，當網格數由334萬增加至509萬時，相對偏差僅變化了0.6%，因此為兼顧速度和準確度，選擇334萬的網格可滿足獨立性要求，前半段煙道的各改造方案模型的網格數量均保持在334萬左右。

表2 前半段煙道原始模型網格無關性分析結果

通過對比煙道前半段各監測點噪聲的聲壓級可知，安裝2塊導流板的煙道降噪效果最好，因此在第1節彎管內設置2塊導流板的基礎上，繼續對煙道的后半段進行導流板組件改造。分別對煙道整體的原始模型和改變導流板數量(依次選取2塊、4塊)的模型劃分六面體結構化網格，其網格劃分情況如圖4所示。整體煙道模型的網格獨立性驗證結果見表3。由表3可知，當網格數由696萬增至758萬時，相對偏差僅變化了0.29%。因此為兼顧速度和準確度，選取696萬的網格，改造方案模型網格數均保持在696萬左右。

表3 整體煙道原始模型網格無關性分析結果

2.4 數值模擬方法準確性驗證

對比數值模擬結果與文獻[20]的實驗結果，驗證數值模擬方法的可行性。驗證模型的幾何結構如圖5所示。

圖5 驗證模型幾何結構[20]

監測點1和監測點2處的聲壓級模擬及實驗結果如圖6所示。由圖6可知，頻域內聲壓級模擬值峰值較多，而聲壓級實驗值峰值較少，可能是由于在管道輸送流體的過程中，受到了環境噪聲及管道振動的影響。不同測點的聲壓級模擬及實驗值頻域響應特性相似，聲壓級隨頻率的增加呈下降趨勢。

(a) 監測點1

監測點1和監測點2處總聲壓級的模擬及實驗結果見表4。由表4可知，不同測點總聲壓級的模擬值和實驗值相對誤差均小于1%。

表4 監測點總聲壓級模擬結果與實驗結果對比

綜上可得，聲壓級模擬結果與實驗結果呈現相似的頻域響應特性，且總聲壓級模擬結果與實驗結果相差較小，兩者結合驗證了數值模擬方法的準確性。

2.5 測點布置

為研究導流板組件的數量和排布方式對煙道氣動噪聲的影響，在煙道外設置7個監測點，如圖7所示，均位于距煙道1 000 mm的位置。由于煙道模型包含2組導流板組件，因此先研究前半段煙道中包含的第1組導流板，通過對比不同測點噪聲模擬結果獲得導流板的改造方案，并在此基礎上對包含第2組導流板的煙道整體進行數值模擬，完成對整體煙道模型的氣動噪聲分析，得到確保氣動噪聲最小的導流板組合方案。

3 結果與分析

3.1 煙道內部三維流場分析

前半段煙道的原始模型和改造后模型的入口中心水平截面湍動能如圖8所示。湍動能是指流體在流動過程中湍流強度的大小，可用于描述煙氣在流動過程中的穩定性，并反映噪聲源位置和量級。由圖8可知，煙氣進入煙道后，由于管道截面面積增大，使得氣流擴散不充分，在彎管出口之前的管段兩側及導流板處會出現湍動能較高的區域，且容易形成漩渦。設置導流板可以提高流體分布的均勻性，降低彎管處的湍動能，改變導流板位置及數量對湍動能分布特性的影響較小。

整體煙道原始模型和改造后模型出口中心豎直截面的湍動能如圖9所示。由圖9可知，改造前后煙道的高湍動能區域均位于第1節彎管附近，第2節彎管和出口區域的湍流運動較為平緩，導流板數量變化對后半段煙道內部湍動能分布的影響較小。

3.2 煙道外部監測點氣動噪聲分析

前半段煙道原始模型和改造后模型管外監測點(1～5)氣動噪聲的聲壓級對比結果如圖10所示。結合圖8的湍動能分布特性結果可知，彎管內側的湍動能強度高于彎管外側，經過彎管內側的煙氣流動更紊亂，對于不同數量的導流板組件，監測點3處的總聲壓級最高。與原始煙道相比，改變導流板位置后，煙道的平均總聲壓級由125.74 dB減小至124.14 dB，降低了1.3%；當導流板數量為2時，平均總聲壓級減小至123.6 dB，降低了1.7%；當導流板數量增至4和6時，平均總聲壓級進一步增大，大于原始煙道。在第1節彎管內裝有2塊導流板的改造方案基礎上，研究第2節彎管內導流板組件改造方案。

圖10 前半段煙道管外不同監測點氣動噪聲的聲壓級

整體煙道原始模型和改造后模型管外監測點(1～7)氣動噪聲的聲壓級對比結果如圖11所示。結合圖9可知，第2節彎管內側湍動能高于外側，因此監測點5處的總聲壓級高于監測點6。此外，當第2節彎管內部的導流板數量分別為2和4時，各監測點總聲壓級基本均小于原始煙道，平均總聲壓級分別降低了4.8%和4.1%。因此，對于第2節彎管，當導流板數量為2時，降噪效果最好。

圖11 整體煙道管外不同監測點氣動噪聲的聲壓級

4 結 論

(1) 在煙氣流經方圓節和直管的過程中，由于管道截面面積增大，使得氣流擴散不充分，在靠近壁面的位置出現湍動能較高的區域，且容易形成渦流。設置導流板可以提高流體分布的均勻性，降低彎管處的湍動能。改變導流板排布方式或數量對湍動能分布特性影響較小。

(2) 對比前半段煙道內導流板組件的不同排布方案可得，當導流板數量為2時，煙道所有監測點的氣動噪聲相對較小，與原始模型相比，改造后模型氣動噪聲的平均總聲壓級降低了1.7%。

(3) 當2組導流板組件均包含2塊導流板時，降噪效果最佳，與2組件分別包含8塊和6塊導流板的原始煙道相比，改造后模型氣動噪聲的平均總聲壓級降低了4.8%。