蒸汽水下噴注噪聲的試驗(yàn)研究

何愛(ài)妮， 袁益超， 袁利芬， 袁 建， 吳開(kāi)奇

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

利用蒸汽加熱給水的直接接觸式加熱方式由于具有其它換熱方式所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于生活及生產(chǎn)的許多方面，如企業(yè)、賓館、飯店等需要集中供熱的場(chǎng)所及除氧器、給水加熱器、蓄熱器等動(dòng)力設(shè)備中.然而，蒸汽水下噴注加熱液體的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，損害設(shè)備，造成環(huán)境污染，如對(duì)于除氧器水箱內(nèi)的再沸騰裝置，蒸汽噴射進(jìn)入水空間時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，引起除氧器振動(dòng)，對(duì)除氧器安全運(yùn)行造成影響.因此，研究蒸汽水下噴注噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，利用噪聲的變化規(guī)律控制噪聲對(duì)減輕噪聲帶來(lái)的危害是有意義的.

噴注噪聲的研究源于20世紀(jì)50年代，Lighthill首先用聲學(xué)類比的方法推導(dǎo)出了著名的V8定律［1］，該定律成為研究及預(yù)測(cè)湍流噴注噪聲的重要基礎(chǔ).之后各國(guó)學(xué)者在廣泛的范圍內(nèi)，從低壓到高壓阻塞噴注、從亞音速到超音速、從以冷空氣為噴注媒質(zhì)到任何氣體在不同溫度下的噴注，對(duì)在空氣中的氣體噴注噪聲的機(jī)理進(jìn)行了大量研究，基本掌握了氣體噴注噪聲的輻射規(guī)律［2］，在小孔噴注噪聲、高壓阻塞噴注的湍流噪聲、脈動(dòng)噴注噪聲與穩(wěn)態(tài)噴注噪聲的關(guān)系等問(wèn)題上［3－5］進(jìn)行了研究，并根據(jù)研究成果開(kāi)發(fā)出了小孔消聲器.90年代中期，馬憲國(guó)等人［6－8］對(duì)蒸汽水下噴注噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究，定性地分析了影響蒸汽水下噴注噪聲的影響因素，其試驗(yàn)結(jié)果為噴注噪聲的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ).浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所的郝宗瑞等［9］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)水下排氣形成的兩相流態(tài)和排氣噪聲特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著排氣速率的增大，排氣形成的兩相流場(chǎng)由氣泡流態(tài)過(guò)渡到射流流態(tài)，射流狀態(tài)下的流動(dòng)噪聲高于氣泡流態(tài)下的噪聲.

然而，到目前為止，對(duì)蒸汽水下噴注噪聲所作的研究并不多，已有的試驗(yàn)由于蒸汽流量范圍不大（最大為9kg／h［8］）等原因，試驗(yàn)結(jié)果有局限性，不能普遍運(yùn)用，因此有必要對(duì)其作進(jìn)一步研究.

1 噪聲源分析

從包含質(zhì)量源、力源項(xiàng)的區(qū)域的流體力學(xué)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程出發(fā)，通過(guò)聲學(xué)假設(shè)及某些運(yùn)算后，可得到一個(gè)獨(dú)立的微分方程［10］，即廣義的Lighthill方程式，它的左邊是一個(gè)波動(dòng)方程的形式，右邊則是能解釋為聲源的項(xiàng).

式中，p為聲壓，Pa；c0為液體中的聲速，m／s；q為液體中單位體積內(nèi)質(zhì)量的脈動(dòng)速率，kg／m3；f為作用在單位體積流體上的脈動(dòng)外力，N；τij為流體應(yīng)力張量，N／m.

式（1）給出了聲學(xué)中主要類型的聲輻射源，包括：

a.進(jìn)入到流體中的非平穩(wěn)質(zhì)量流引起的脈動(dòng)體積聲源；

b.施加在剛性界面上的非平穩(wěn)力作用下的脈動(dòng)力聲源；

c.與流體動(dòng)力運(yùn)動(dòng)本身有關(guān)的分量，對(duì)于液體流，主要是與湍流運(yùn)動(dòng)有關(guān)的湍流聲源.

蒸汽水下噴注時(shí)，不存在剛性界面的非平穩(wěn)力作用，因此，主要考慮由質(zhì)量流及湍流引起的噪聲.

2 噴注噪聲的影響因素

蒸汽在過(guò)冷液中噴注時(shí)，大量的蒸汽經(jīng)過(guò)汽液相變和湍流等復(fù)雜的過(guò)程，直接被分割成許許多多的汽泡.由于汽液混合層內(nèi)存在較大的溫度梯度，所形成的汽泡會(huì)很快地塌縮破裂.在汽泡潰滅過(guò)程中，由于體積迅速變化，造成強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的體積脈動(dòng)噪聲.此外，高速的蒸汽噴入水中與周圍低速水發(fā)生湍流混合，使水的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞而發(fā)生很大的擾動(dòng)，由此產(chǎn)生湍流噪聲.

對(duì)于脈動(dòng)體積聲源，僅與流體的脈動(dòng)質(zhì)量有關(guān)，因此將式（1）簡(jiǎn)化后可推得［11］式中，ρ0為周圍液體的密度，kg／m3；r為汽泡中心至流場(chǎng)中任一點(diǎn)處的徑向距離，m；R為汽泡半徑，m.

對(duì)于水中一個(gè)孤立球形汽泡，根據(jù)汽液分界面上的熱力學(xué)平衡條件，當(dāng)汽泡穩(wěn)定時(shí)有

式中，pv為汽泡內(nèi)壓力，Pa；pl為汽泡外液體壓力，Pa；σ為汽液界面上的表面張力，N／m.

又對(duì)于液體中任一自由汽泡，有汽泡壁速度［11］U為

式中，p∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處液體的壓力，Pa；p0為初始時(shí)刻汽泡內(nèi)的蒸汽壓力，Pa；R0為汽泡初始半徑，m；

σ＝σ（T）為汽液界面上的表面張力，N／m；γ為蒸汽的汽化潛熱，J／kg；ρ為液體的密度，kg／m3；ρv為汽泡內(nèi)的蒸汽密度，kg／m3；k為蒸汽和水之間的傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；ΔT為蒸汽和水之間的溫差，K.

汽泡壁速度反映的即是汽泡半徑隨時(shí)間的變化.

從式（2）可以看出，汽泡半徑變化的快慢直接影響到聲壓的大小，汽泡的初始半徑及液體密度對(duì)聲壓的大小也有影響.從式（3）及式（4）可以看出，汽泡半徑的大小及半徑變化與汽泡內(nèi)外的蒸汽壓力、汽泡的表面張力、蒸汽溫度、蒸汽和周圍液體之間的溫差等因素有關(guān).汽泡內(nèi)的蒸汽壓力變化復(fù)雜，難以直接測(cè)量得到，汽泡的表面張力與汽泡周圍液體的溫度有關(guān).因此，由質(zhì)量流引起的體積脈動(dòng)噪聲源于汽泡破裂時(shí)產(chǎn)生的噪聲，與蒸汽和周圍液體之間的溫差、周圍液體的溫度等因素有關(guān).

對(duì)于湍流產(chǎn)生的聲波有［10］

式中，u為流體的平穩(wěn)速度，m／s；u′i（t′）為流體的脈動(dòng)速度，m／s；∫Vu′i（t′）dV為流體脈動(dòng)速度的體積分.

從式（5）中可以看出，湍流噪聲的聲壓與流體的速度有關(guān).

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)上述對(duì)聲源及其影響因素的分析，可以得出蒸汽水下噴注時(shí)，汽泡生長(zhǎng)、破裂過(guò)程引起的壓力脈動(dòng)和由速度剪切引起的湍流噪聲是噪聲的來(lái)源，水溫、蒸汽流量等在一定程度上對(duì)噴注噪聲有影響.由此，設(shè)計(jì)建立了相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，其主要目的是對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的蒸汽配汽管（噴頭）進(jìn)行單噴頭的噪聲對(duì)比試驗(yàn)，研究水溫、蒸汽流量及噴頭結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的影響規(guī)律.

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)是以一定壓力的蒸汽在敞口水箱內(nèi)通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的配汽管噴注加熱過(guò)冷水進(jìn)行的.如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過(guò)冷水系統(tǒng)、蒸汽水下噴注系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

3.2 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)試件為開(kāi)有多個(gè)小孔的配汽管，共3種結(jié)構(gòu).配汽管管徑均為φ76×5，各配汽管開(kāi)孔情況如表1所示，開(kāi)孔總面積相同.以3號(hào)試件結(jié)構(gòu)為例，試件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of experimental system

表1 試驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of ejectors

3.3 試驗(yàn)儀器

a.溫度測(cè)量

蒸汽溫度由精度為A級(jí)的PT100鉑電阻測(cè)量，水溫由均勻布置在水箱內(nèi)的銅－康銅熱電偶測(cè)量.

b.壓力測(cè)量

圖2 試驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural schematic of ejector

蒸汽壓力由精度為0.2級(jí)的CECY－160型壓力變送器及EJA430壓力變送器測(cè)量，進(jìn)水箱前的噴注蒸汽壓力由精度為0.2級(jí)的1151電容式壓力變送器測(cè)量.

c.流量測(cè)量

蒸汽流量分別由精度為1級(jí)的YF105－AGSC2－CD及 YF110－AGSC2－CD 渦街流量計(jì)測(cè)量，蒸汽流量在0～500m3／h范圍內(nèi)時(shí)由YF105型測(cè)量，流量在500～1 662m3／h范圍內(nèi)時(shí)由 YF110型測(cè)量.

d.噪聲測(cè)量

噪聲由HS6288B聲級(jí)計(jì)測(cè)量.

e.數(shù)據(jù)采集

壓力變送器、渦街流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸出等信號(hào)由ADAM4118型模擬輸入模塊采集，鉑電阻信號(hào)及熱電偶信號(hào)分別由ADAM4015T型6路熱電阻模塊及ADAM4018型8路熱電偶模塊采集，所有采集信號(hào)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r(shí)采集并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù).電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)經(jīng)由ADAM4024模擬輸出模塊從計(jì)算機(jī)輸入.

4 結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸汽水下噴注時(shí)形成的噪聲由兩部分組成：一是高溫蒸汽在接觸到低溫水時(shí)由于凝結(jié)而引起的噪聲；二是高速蒸汽噴射時(shí)由于湍流產(chǎn)生的噪聲，且以前者為主.

4.1 水溫對(duì)噴注A聲級(jí)噪聲的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定的配汽管結(jié)構(gòu)和一定的蒸汽流量，隨著水溫的升高，A聲級(jí)噪聲先逐漸增加，達(dá)到最大值后又逐漸減小，當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)噴注噪聲明顯低于噴注起始噪聲.

對(duì)于一定的噴注蒸汽流量，水溫較低時(shí)，蒸汽溫度與過(guò)冷水溫度之差大，汽泡半徑的變化速度快，產(chǎn)生的噪聲的聲壓高，同時(shí)由于凝結(jié)換熱速度快，汽泡破裂所需的時(shí)間短，產(chǎn)生的噪聲的頻率高［11］，而人耳對(duì)于高頻率的聲音不敏感.所以，水溫低時(shí)，雖然汽泡產(chǎn)生的噪聲聲壓高，但噴注時(shí)高頻成份較多，使A聲級(jí)噪聲較低.隨著水溫的升高，汽泡破裂產(chǎn)生的噪聲聲壓降低，同時(shí)，噪聲的頻率降低，相應(yīng)的A聲級(jí)噪聲上升.當(dāng)水溫進(jìn)一步升高，汽泡破裂產(chǎn)生的A聲級(jí)噪聲會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值.隨后，水溫進(jìn)一步升高，汽泡破裂產(chǎn)生的噪聲聲壓和頻率進(jìn)一步降低，噴注噪聲中的低頻成份比重增加，使得A聲級(jí)噪聲下降.當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)，汽泡基本不再破裂，而是逸出水面，此時(shí)由汽泡破裂引起的噪聲很小，基本為零.在不同的試驗(yàn)條件下如不同的蒸汽流量、不同的配汽管結(jié)構(gòu)，所得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3～5所示.

圖3 1號(hào)試件不同蒸汽流量下噪聲的變化規(guī)律Fig.3 Variation of noise under different steam flux of No.1ejector

圖4 2號(hào)試件不同蒸汽流量下噪聲的變化規(guī)律Fig.4 Variation of noise under different steam flux of No.2ejector

從圖3～5中可以看出，不同蒸汽流量的情況下，噪聲隨水溫變化規(guī)律基本相同，即隨著水溫升高，A聲級(jí)噪聲先逐漸增加到達(dá)最大值后，隨著水溫的進(jìn)一步升高A聲級(jí)噪聲迅速降低.

馬憲國(guó)等［6］也曾通過(guò)試驗(yàn)得到相同的結(jié)果，其試驗(yàn)中噴口最小孔徑為4mm，最大孔徑為8mm.本試驗(yàn)中噴口最小孔徑為5mm，最大孔徑為10mm，由試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著配汽管開(kāi)孔孔徑的變化，水溫對(duì)A聲級(jí)噪聲的影響規(guī)律也基本不變.

4.2 蒸汽流量對(duì)噴注A聲級(jí)噪聲的影響

圖5 3號(hào)試件不同蒸汽流量下噪聲的變化規(guī)律Fig.5 Variation of noise under different steam flux of No.3ejector

對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)的配汽管，蒸汽流量的變化也反映了流速的變化.水溫較低時(shí)，隨著蒸汽流量增加，其噴注噪聲也增加，當(dāng)流量增加到某個(gè)臨界值后，流量的變化對(duì)噪聲的影響較小.水溫較高時(shí)，隨著蒸汽流量增加，噴注噪聲增加，如圖3～5所示.

在蒸汽噴注的過(guò)程中，汽泡體積變化引起的脈動(dòng)噪聲和湍流噪聲是共同作用的.

蒸汽流量小于臨界流量時(shí)，流量小，速度剪切和湍流混合的作用不明顯，產(chǎn)生的湍流噪聲并不顯著，此時(shí)的噪聲主要是由汽泡體積變化產(chǎn)生的，噪聲源單一，產(chǎn)生的聲壓級(jí)小.

蒸汽流量增加，蒸汽流速大，湍流強(qiáng)度高，速度剪切和湍流混合的作用增加，同時(shí)存在汽泡體積變化產(chǎn)生的噪聲，使得聲壓級(jí)有所增加.

當(dāng)蒸汽流量進(jìn)一步增加，大于某一臨界值后，水溫低，蒸汽與周圍水間的溫差大，汽液兩相之間的傳熱和相變占主導(dǎo)，汽泡體積變化引起的脈動(dòng)噪聲為主要聲源，湍流噪聲為次要聲源，因此蒸汽流量的變化對(duì)聲壓級(jí)的影響?。凰疁厣?，蒸汽與周圍水間的溫差小，汽泡體積變化緩慢，湍流噪聲作用明顯，此時(shí)，蒸汽流量大，聲壓級(jí)大.

以1號(hào)試件為例，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.從表2看出，不同水溫的情況下，流量增幅相同時(shí)其噪聲值增加的幅度不同，由此可見(jiàn)，蒸汽流量和A聲級(jí)噪聲間并不完全呈線性關(guān)系.

表2 1號(hào)試件部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Part of experimental data of No.1ejector

4.3 孔徑對(duì)噴注A聲級(jí)噪聲的影響

根據(jù)小孔消聲器的原理，孔徑大小對(duì)噪聲是有影響的.小孔間距對(duì)噪聲也有影響，但其影響效果受到孔徑大小的影響，因此，蒸汽流量相同時(shí)，在孔間距比（即兩個(gè)小孔中心距／孔徑）基本不變的情況下，對(duì)比各試件的試驗(yàn)結(jié)果可得到孔徑對(duì)噪聲的影響，如圖6、圖7（見(jiàn)下頁(yè)）所示.

小流量時(shí)，從圖6可以看出，在低溫區(qū)，同一水溫下最大噪聲值與最小噪聲值相比，最大相差約9%；在高溫區(qū)，同一水溫下最大噪聲值與最小噪聲值相比，最大相差21%.大流量時(shí)，從圖7可以看出，在低溫區(qū)，同一水溫下最大噪聲值與最小噪聲值相比，最大相差4.2%；在高溫區(qū)，同一水溫下最大噪聲值與最小噪聲值相比最大相差3.1%.

圖6 Q＝0.7t／h時(shí)孔徑對(duì)噪聲的影響Fig.6 Effect of the nozzle diameter on the noise when Q’s equal to 0.7t／h

從試驗(yàn)結(jié)果可得，孔徑對(duì)噪聲有影響.在小流量時(shí)，孔徑對(duì)噪聲的影響較大，在大流量時(shí)，孔徑對(duì)噪聲的影響較小.此外，孔徑大小改變噴注A聲級(jí)噪聲曲線的形狀和最大聲壓級(jí)出現(xiàn)的位置.

圖7 Q＝1.5t／h時(shí)孔徑對(duì)噪聲的影響Fig.7 Effect of the nozzle diameter on the noise when Q’s equal to 1.5t／h

5 結(jié) 論

a.蒸汽水下噴注時(shí)，主要的噴注聲源為汽泡破裂引起的噪聲及湍流噪聲，且以前者為主.

b.蒸汽流量不同、配汽孔孔徑不同時(shí)，水溫對(duì)噴注A聲級(jí)噪聲的影響規(guī)律基本相同，即隨著水溫的升高，A聲級(jí)噪聲逐漸增加，當(dāng)水溫升高到某一程度后，A聲級(jí)噪聲達(dá)到最大值，之后隨著水溫進(jìn)一步升高，A聲級(jí)噪聲開(kāi)始迅速下降.

c.噴注A聲級(jí)噪聲和蒸汽流量間并不完全存在線性關(guān)系.水溫較低時(shí)，隨著蒸汽流量增加，其噴注噪聲也增加，當(dāng)流量增加到某個(gè)臨界值后，流量的變化對(duì)噪聲的影響小.水溫較高時(shí)，隨著蒸汽流量增加，噴注噪聲增加.

d.當(dāng)蒸汽流量小時(shí)，孔徑對(duì)噪聲的影響較大；當(dāng)蒸汽流量大時(shí)，孔徑對(duì)噪聲的影響較小.

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