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《熱科學(xué)與技術(shù)雜志》2016年第一期

摘要：

熱交換器是供熱系統(tǒng)乃至動(dòng)力系統(tǒng)中常見的重要設(shè)備之一，其中汽水混合加熱器是一種直接將蒸汽與水混合以加熱水的熱交換裝置。利用寬頻噪聲源模型對(duì)噴管式汽水混合加熱器進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬，獲得了加熱器的聲場(chǎng)分布。在相同工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)量了加熱器表面噪聲聲壓級(jí)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值相比，誤差為4．6％，說明寬頻噪聲源模型在模擬混合加熱器表面噪聲聲壓級(jí)方面有較好的精度，對(duì)噴管式汽水混合加熱器的降噪改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：

汽水混合；噪聲；數(shù)值模擬；寬頻噪聲模型

噴管式汽水混合加熱器是一種高效的、直接將蒸汽與水混合以制取熱水的裝置，加熱熱源可以采用低壓放散蒸汽或凝結(jié)水閃蒸汽，起到節(jié)能作用［1］。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低廉和熱效率高等特點(diǎn)，在供熱、電力、化工、石油、制藥、釀造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［2］。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，噴管式汽水混合加熱器在工作時(shí)會(huì)存在運(yùn)行噪聲較大以及振動(dòng)等現(xiàn)象［3－4］。為研究其噪聲產(chǎn)生的根源以及影響因素，本文搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用流體力學(xué)軟件對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬，為進(jìn)一步找到改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供參考。

1氣動(dòng)噪聲模型

FLUENT中的噪聲模型包含了直接模擬模型（CAA），噪聲比擬模型（FW－H）和寬頻噪聲模型三種。直接模擬模型（CAA）可以通過求解流體動(dòng)力學(xué)方程直接得到聲波產(chǎn)生和繁殖現(xiàn)象，但其需要高精度的數(shù)值求解方法、非常精細(xì)的網(wǎng)格及聲波非反射邊界條件，所以其計(jì)算代價(jià)較高［5－6］；噪聲比擬模型（FW－H）把波動(dòng)方程和流動(dòng)方程解耦，在近場(chǎng)流動(dòng)解析采用適當(dāng)?shù)目刂品匠?，然后再把求解結(jié)果作為噪聲源，通過求解波動(dòng)方程得到解析解，從而把流動(dòng)求解過程從聲學(xué)分析中分離出來，其需要用到非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中時(shí)間精度的解，所以計(jì)算代價(jià)也比較高［7－8］；寬頻噪聲模型湍流參數(shù)通過RANS方程求解，再用一定的半經(jīng)驗(yàn)修正模型（如Proudman方程模型、邊界層噪聲源模型、線性Euler方程源項(xiàng)模型、Lilley方程源項(xiàng)模型）計(jì)算表面單元或體積單元的噪聲功率，其不需要瞬態(tài)流動(dòng)解，所有的源項(xiàng)模型只需要典型的RANS方程解，比如實(shí)際速度場(chǎng)、湍動(dòng)能和湍流耗散率，所以其計(jì)算代價(jià)最?。?］。在工程應(yīng)用中的湍流，噪聲沒有明顯的頻段，聲波能量連續(xù)分布在一個(gè)寬頻段范圍內(nèi)按頻率連續(xù)分布，所以需要選擇寬頻噪聲模型［10］。求解各項(xiàng)同性湍流噪聲即四極子噪聲源，Proudman方程適用假設(shè)：高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)及各向同性湍流流動(dòng)［11］。

2汽水混合加熱器數(shù)值模擬

如圖1所示為噴管式汽水混合加熱器三維模型，主要部件有蒸汽腔、拉伐爾噴管以及出口延長(zhǎng)混合管。工作原理為：被加熱水在噴管內(nèi)流動(dòng)，蒸汽在噴管外側(cè)，當(dāng)水流經(jīng)拉瓦爾噴管喉部進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí)，蒸汽從噴管外側(cè)壁面上的斜向小孔均勻地高速噴入水中，與水在高速流動(dòng)中相互均勻混合。模型由Gambit軟件進(jìn)行三維建模，拉伐爾噴管的管壁畫有壁厚，其上蒸汽小孔與水平軸線呈45°并各排之間保持交錯(cuò)排列，從而保證蒸汽由蒸汽腔中可以呈預(yù)設(shè)角度與噴管中的水均勻混合。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，蒸汽管及蒸汽腔面網(wǎng)格采用三角形平鋪成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，拉伐爾噴管內(nèi)壁面及蒸汽小孔表面網(wǎng)格采用四邊形和三角形混合平鋪成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整個(gè)流體區(qū)域均采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，物理層網(wǎng)格最小尺度為10－3m，通過此種方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密控制和非等距處理，從而保證了對(duì)內(nèi)部拉伐爾噴管的計(jì)算精度要求，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)為54萬個(gè)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中要求對(duì)初溫為60℃水在噴管式汽水混合加熱器中蒸汽加熱至75℃工況條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表1所示。模擬湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，穩(wěn)態(tài)，基于壓力的隱式求解，壓力修正采用SIMPLC算法。對(duì)流項(xiàng)采用二階精度的QUICK格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心格式離散，時(shí)間項(xiàng)離散采用二階隱式格式。水管入口與蒸汽管入口都為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壁面定義為絕熱壁面邊界條件。采用寬頻噪聲源模型，湍流參數(shù)通過RANS方程求解，設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)密度ρ0＝1．225kg／m3，遠(yuǎn)場(chǎng)聲速v0＝340m／s，參考聲功率P0＝10－12W，再用半經(jīng)驗(yàn)修正模型計(jì)算表面和體積單元的噪聲功率。在混合加熱器出口處建立出口水溫監(jiān)測(cè)面，在經(jīng)過約14000次迭代后殘差收斂達(dá)到10－6量級(jí)，可以在圖2中看到混合加熱器出口溫度穩(wěn)定在347．8K左右，達(dá)到了預(yù)期理論計(jì)算的加熱溫度。

3模擬結(jié)果與分析

由圖3可以看出，水在經(jīng)過內(nèi)部拉伐爾噴管喉部時(shí)有明顯的加速現(xiàn)象，蒸汽管入口蒸汽速度初始為1．87m／s，在從蒸汽口進(jìn)入蒸汽腔與拉伐爾噴管產(chǎn)生沖擊減速，在蒸汽腔中形成了多股前后交錯(cuò)圍繞拉伐爾噴管旋轉(zhuǎn)的蒸汽流。在從蒸汽腔通過蒸汽小孔打入拉伐爾噴管時(shí)速度上升很快，在局部最高速度可達(dá)到16．00m／s，速度較高的蒸汽與水混合會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的沖擊。由蒸汽組分圖4可以看到蒸汽在蒸汽腔中組分均為1，在從蒸汽小孔打入拉伐爾噴管內(nèi)與水混合時(shí)在近壁面處蒸汽暫時(shí)占據(jù)水的體積，前后排蒸汽小孔之間進(jìn)汽量相對(duì)較為均勻。由于蒸汽速度較大，高速蒸汽在剛進(jìn)入拉伐爾噴管時(shí)不能很好地與低速水流凝結(jié)放熱，因此在混合管前半段蒸汽組分較高；蒸汽在延長(zhǎng)混合管處速度降低后可以看到組分下降十分明顯，迅速凝結(jié)，在出口處已經(jīng)沒有未冷凝的蒸汽。圖5為噪聲源聲壓級(jí)Lap分布云圖，由圖5可以看到，在此工況下整個(gè)混合加熱器中最主要的噪聲源分布情況，在蒸汽從蒸汽口進(jìn)入與拉伐爾噴管相沖擊處有明顯的噪聲產(chǎn)生，聲壓級(jí)可以達(dá)到65dB左右，特別是在蒸汽口正對(duì)下方的噴管環(huán)周都會(huì)有很強(qiáng)烈的湍流，因此此區(qū)域是氣動(dòng)外形四極子噪聲源對(duì)總噪聲源貢獻(xiàn)較大的區(qū)域。由圖6所示，在混合加熱器沿著X軸方向上各點(diǎn)噪聲源聲壓級(jí)Lap分布圖可以看出，最大的噪音源來自噴管內(nèi)的六排蒸汽小孔，在此處蒸汽有極大的速度變化從而產(chǎn)生強(qiáng)湍流，蒸汽管正下方第一排上側(cè)的蒸汽小孔其最大噪聲聲壓級(jí)達(dá)到了110dB以上，并且此小孔區(qū)域周圍也會(huì)受到影響，這與蒸汽小孔的孔徑和排列分布方式有著密切的關(guān)系。圖7所示為表面噪聲聲壓級(jí)Lps分布云圖，可以通過湍流邊界層評(píng)估局部偶極子噪聲源對(duì)總噪聲能量的貢獻(xiàn)，即整個(gè)混合加熱器由于湍流流動(dòng)在其表面上產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)分布。由于邊界較窄故對(duì)云圖進(jìn)行了放大處理，可以看到在蒸汽小孔壁面上噪聲聲壓級(jí)達(dá)到了一個(gè)峰值即94．9dB；在整個(gè)拉伐爾噴管表面上噪聲聲壓級(jí)平均在80．7dB左右。

4噪聲實(shí)驗(yàn)及對(duì)比

根據(jù)實(shí)際工況理論計(jì)算參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行汽水混合加熱器實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)混合加熱情況以及混合加熱器運(yùn)行時(shí)的噪聲聲壓級(jí)等參數(shù)來分析并指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖8所示，實(shí)驗(yàn)所需蒸汽通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生和提供，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥門控制通入的蒸汽量，同時(shí)由水泵給水在流量計(jì)及閥門控制下調(diào)節(jié)水流量。蒸汽與水在噴管式汽水混合加熱器中直接接觸混合，混合后溫水貯存在冷卻水箱中進(jìn)行冷卻，待冷卻后還可控制送入循環(huán)水箱進(jìn)行循環(huán)利用。

5結(jié)論

1）通過模擬分析，獲得了噴管式汽水混合加熱器的溫升特性，在熱平衡的計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)工況參數(shù)，模擬得到混合加熱器溫升14．8K，與理論計(jì)算值15．0K相差1．3％，說明了蒸汽與水相變傳熱模擬的有效性。2）利用寬頻噪聲模型進(jìn)行模擬，降低了數(shù)值計(jì)算成本，而且通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算對(duì)噴管式汽水混合加熱器進(jìn)行氣動(dòng)噪聲模擬，其表面噪聲聲壓級(jí)相比實(shí)驗(yàn)誤差為4．6％，可以認(rèn)為此種模型的模擬方法在模擬混合加熱器表面噪聲聲壓級(jí)方面具有較好的精度。3）通過噴管式汽水混合加熱器氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬，找到了混合加熱器易產(chǎn)生強(qiáng)噪聲源的位置，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)汽水混合加熱器的降噪研究提供參考。

作者：茍湘 夏冰 連晶紅 尹業(yè)彬 單位：河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院