基于數(shù)值計(jì)算的蒸汽管路支管與雙彎頭流噪聲預(yù)報(bào)

張生樂(lè)，魏 筆，潘國(guó)雄，靖紅順

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北武漢430060)

0 引言

相比海水、滑油等系統(tǒng)，蒸汽管路系統(tǒng)具有組成設(shè)備多、高溫、高壓、高流速等特點(diǎn)，其噪聲性能與管路特性間的影響關(guān)系更為復(fù)雜，噪聲控制的要求和難度也相應(yīng)提高。蒸汽管路內(nèi)高速流動(dòng)的蒸汽處于湍流的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)和流場(chǎng)分布的復(fù)雜性［1－3］主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是湍流流動(dòng)使管路元器件內(nèi)部表現(xiàn)出作用于流體上的激勵(lì)源 (噪聲源)特征，這種內(nèi)部激勵(lì)源的作用往往比較強(qiáng)，會(huì)引起較為強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)振動(dòng);二是湍流流場(chǎng)本身雜亂無(wú)章，內(nèi)部壓力波的傳播規(guī)律與在層流流場(chǎng)及靜止流場(chǎng)中的傳播規(guī)律不同，與其他類型流場(chǎng)內(nèi)部壓力波傳播及流激振動(dòng)的規(guī)律也有一定區(qū)別。為保證蒸汽管路低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)局部管路布置合理性，有必要開(kāi)展其流噪聲性能研究。

本研究將通過(guò)仿真手段，選取具有代表性的蒸汽管路支管與雙彎頭為研究對(duì)象，采用流體動(dòng)力學(xué)和有限元方法計(jì)算管路內(nèi)部流場(chǎng)分布特性，分析支管與雙彎頭間距對(duì)內(nèi)部流體速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和聲功率級(jí)分布規(guī)律的影響，為蒸汽管路的低噪聲設(shè)計(jì)和布置工藝提供參考［4－5］。

1 蒸汽系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型

蒸汽管路布置復(fù)雜，管徑變化大，管內(nèi)是可壓縮、有粘性的流體，還存在兩相工作介質(zhì)，工況變化時(shí)管路內(nèi)部流體的流動(dòng)特性瞬態(tài)變化復(fù)雜，難以完整地建立起能詳細(xì)描述其運(yùn)動(dòng)過(guò)程的流體力學(xué)方程。因此，目前處理這類問(wèn)題時(shí)常將蒸汽管路看作無(wú)源部件，采用流體網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)進(jìn)行仿真。將流體網(wǎng)絡(luò)看作由節(jié)點(diǎn)和有向支路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，忽略有向支路與外界的質(zhì)量和熱量交換，把管系內(nèi)流體的傳輸和瞬變問(wèn)題簡(jiǎn)化成一個(gè)只求流體網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的瞬態(tài)壓力和各支路上流量的問(wèn)題［6－9］。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)所有流體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)滿足:

式中:n為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);m為外部節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);Mi為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i中流體的質(zhì)量;qmij為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)j之間的質(zhì)量流量;FEik為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和外部節(jié)點(diǎn)k之間的質(zhì)量流量;Dij為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)j之間的連接方式，反映了2節(jié)點(diǎn)之間流體的方向:

式中DEik為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和外部節(jié)點(diǎn)k之間的連接方式，反映了系統(tǒng)邊界處流體的方向。

由于節(jié)點(diǎn)內(nèi)流體的質(zhì)量是該節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度和組分的函數(shù)，通常壓力的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度和組分的變化，可以看成節(jié)點(diǎn)內(nèi)流體的質(zhì)量?jī)H與該節(jié)點(diǎn)的壓力有關(guān)，那么可得:

將式(2)代入式(1)可得流體網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)壓力方程:

由于忽略有向支路與外界的質(zhì)量和熱量交換，那么各節(jié)點(diǎn)的壓差和焓變之和與所有支路的阻力損失相等:

式中:Hij為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)j的焓變，Rij為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和j之間的流體流動(dòng)阻力系數(shù);REik為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i和外部節(jié)點(diǎn)k之間的流體流動(dòng)阻力系數(shù)。Rij和REik的取值均與管路的流動(dòng)特性有關(guān)。

式(3)～式(5)構(gòu)成本文仿真計(jì)算的流體網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)踐證明，流體網(wǎng)絡(luò)方法在處理仿真精度不高的小直徑蒸汽管網(wǎng)時(shí)比較有效。

2 支管與雙彎頭流噪聲仿真計(jì)算及其計(jì)算分析

2.1 支管與雙彎頭三維模型的建立

根據(jù)實(shí)際常用的蒸汽管路尺寸參數(shù)，選取2個(gè)不同管徑的支管與雙彎頭進(jìn)行研究［10］，管徑參數(shù)分別為Φ108 mm×4 mm和Φ45 mm×3 mm;支管與雙彎頭的間距設(shè)置為3d，4d，6d和11d(d為內(nèi)徑);計(jì)算工況設(shè)置為:蒸汽壓力1.15 MPa，蒸汽溫度186℃，蒸汽密度5.877 kg/m3，速度42 m/s。采用三維建模軟件Solidworks對(duì)支管與彎頭建模，支管段的長(zhǎng)度取為5 d，彎頭的彎曲半徑取為2 d，彎頭直管段的長(zhǎng)度取為5 d，三維模型如圖1所示。

圖1 支管與雙彎頭計(jì)算模型示意圖Fig.1 Branch pipe and double elbow calculation model diagram

2.2 支管與雙彎頭模型網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD對(duì)管路流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用四面體和棱柱體網(wǎng)格相結(jié)合，其中Φ108 mm×4 mm管路網(wǎng)格最大尺寸10 mm，Φ45 mm×3 mm管路網(wǎng)格最大尺寸5 mm。各計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)Tab.1 The number of units and nodes

進(jìn)口面設(shè)置為入口 (intet)，出口面設(shè)置為出口(outlet1和outlet2)，壁面的設(shè)置為wall。將網(wǎng)格模型輸出為Fluent軟件能識(shí)別的.msh文件。流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格模型如圖2所示 (以管徑參數(shù)Φ108 mm×4 mm，支管距前后彎頭間距3 d為例)。

圖2 支管和彎頭網(wǎng)格劃分Fig.2 The grid division of branch pipe and double elbow

2.3 邊界條件及流體參數(shù)設(shè)置

1)流體狀態(tài):流體介質(zhì)為飽和蒸汽，將其設(shè)置為可壓縮理想氣體;流體狀態(tài)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)K－ξ湍流模型;壓力—速度耦合方式采用SIMPLE法;流體密度5.877 kg/m3，等壓比熱1 932.6 J/(kgK)，導(dǎo)熱系數(shù)0.037 W/(mK)，動(dòng)力粘度0.000 055 kg/(ms)。

2)入口條件:根據(jù)實(shí)際工況，將入口條件設(shè)為速度入口邊界條件:速度大小設(shè)置為42 m/s，方向?yàn)檠剡M(jìn)口平面法線方向。水力直徑為d，入流湍流強(qiáng)度大小為0.16 Re－0.125，其中雷諾數(shù)Re=vdρ/μ(μ為動(dòng)力粘度)。

3)出口條件:2個(gè)出口均設(shè)為自由出流，且設(shè)置2個(gè)出口的流量相同。

4)參考?jí)簭?qiáng):采用Fluent默認(rèn)設(shè)置:參考?jí)簭?qiáng)為101 250 Pa。參考?jí)簭?qiáng)位置設(shè)置在彎管模型外的點(diǎn) (－1 000，0，0)處 (單位為mm)。

5)壁面條件:固壁面采用無(wú)滑移邊界條件，臨近壁面的區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.4 支管與彎頭內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性及流噪聲計(jì)算分析

選用Fluent中BNS(broadband noise source)模型，設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)密度1.225 kg/m3，遠(yuǎn)場(chǎng)聲速340 m/s，基準(zhǔn)聲功率10～12 W，傅里葉模數(shù)50。對(duì)支管與雙彎頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算收斂后，分析不同方案時(shí)速度分布與壓力分布。

支管與雙彎頭間距不同時(shí)，速度、壓力、噪聲聲功率級(jí)分布的變化趨勢(shì)基本一致，下文僅以支管距前后彎頭11 d為例給出仿真計(jì)算分析結(jié)果圖。管徑參數(shù)為Φ108 mm×4 mm的支管與彎頭內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性及流噪聲計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 支管與彎頭縱截面速度分布Fig.3 Velocity distribution at Longitudinal section

圖4 支管與彎頭縱截面壓力分布Fig.4 Pressure distribution at Longitudinal section

圖5 支管與彎頭縱截面噪聲聲功率級(jí)分布Fig.5 Sound power levels distribution at Longitudinal section

圖3～圖5表明，速度最大值分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間靠近內(nèi)側(cè)管壁的位置，速度最小值分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間靠近外側(cè)管壁的位置，壓力最大值分布在支管出口對(duì)流處，最大噪聲聲功率級(jí)分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間處于管中心的位置。

圖6為不同布置間距的支管與雙彎頭最大噪聲聲功率級(jí)對(duì)比曲線。由圖可知，支管與前后彎頭間距從3 d增大到4 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)逐漸增大;間距從4 d增大到6 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)逐漸減小;間距從6 d增大到11 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)呈緩慢下降的趨勢(shì)?？傮w幅值變化小于1.5%，最大變化值為1.1 dB，表明支管與前后彎頭間距在3～11 d之間變化時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)幅值變化很小。

圖6 支管與前后彎頭最大噪聲聲功率級(jí)隨布置間距的變化曲線Fig.6 The curve of maximum sound power levels change with space

管徑參數(shù)為Φ45 mm×3 mm的支管與彎頭內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性及流噪聲計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示(以支管距前后彎頭11 d為例)。

圖7 支管與彎頭縱截面速度分布Fig.7 Velocity distribution at Longitudinal section

圖7～圖9表明，速度最大值分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間靠近內(nèi)側(cè)管壁的位置，速度最小值分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間靠近外側(cè)管壁的位置，壓力最大值分布在支管出口對(duì)流處，最大噪聲聲功率級(jí)分布在支管出口至2個(gè)彎頭之間處于管中心的位置。

圖8 支管與彎頭縱截面壓力分布Fig.8 Pressure distribution at Longitudinal section

圖9 支管與彎頭縱截面噪聲聲功率級(jí)分布Fig.9 Sound power levels distribution at Longitudinal section

圖10為不同布置間距的支管與彎頭最大噪聲聲功率級(jí)對(duì)比曲線。由圖可知，支管與前后彎頭間距從3 d增大到4 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)逐漸減少;間距從4 d增大到6 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)逐漸增大;間距從6 d增大到11 d時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)保持不變?？傮w幅值變化小于1%，最大變化值為0.8 dB，表明支管與前后彎頭間距在3～11 d之間變化時(shí)，最大噪聲聲功率級(jí)幅值變化很小。

圖10 支管與前后彎頭最大噪聲聲功率級(jí)隨布置間距的變化曲線Fig.10 The curve of maximum sound power levels change with space

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合 Solidworks建模、ICEM網(wǎng)格劃分、Fluent數(shù)值計(jì)算分析了蒸汽管路支管與雙彎頭不同布置間距情況下流噪聲特性。研究表明，管徑參數(shù)不同時(shí)，支管與雙彎頭間距在3～11 d之間變化對(duì)分析流場(chǎng)聲功率級(jí)影響較弱，各方案聲功率最大幅值差異小于1.5%，工程蒸汽系統(tǒng)管路低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)為保證研究管段聲學(xué)狀態(tài)，可依據(jù)實(shí)際安裝環(huán)境將支管與雙彎頭在研究間距范圍內(nèi)合理進(jìn)行選取，為蒸汽管路低噪聲設(shè)計(jì)提供了有效參考。

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