直接空冷系統(tǒng)噪聲分析及估算

崔超

(中國(guó)大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統(tǒng)噪聲分析及估算

崔超

(中國(guó)大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統(tǒng)的噪聲主要包括風(fēng)機(jī)群的氣動(dòng)噪聲，其中偶極子聲源占主導(dǎo)地位。利用Fluent聲學(xué)模塊對(duì)空冷島進(jìn)行了流場(chǎng)模擬和噪聲估算，可以看出Fluent可對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行有效模擬，可考慮采取降低低頻噪聲的方式來(lái)改善直冷系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。

直接空冷；氣動(dòng)噪聲；流場(chǎng)分析；噪聲估算；風(fēng)機(jī)群；低頻噪聲

0 引言

我國(guó)燃煤電廠受到水資源的制約較為嚴(yán)重，而1座濕冷電廠的耗水量相當(dāng)于10～15座同容量空冷電站的耗水量，所以發(fā)展空冷技術(shù)是解決這一問(wèn)題的重要途徑[1]。電廠空冷技術(shù)經(jīng)過(guò)了多年發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，且在我國(guó)北方缺水地區(qū)得到了應(yīng)用[2]。其中，直接空冷系統(tǒng)是采用機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)迫對(duì)流方式對(duì)汽輪機(jī)的排汽進(jìn)行冷卻，通常1臺(tái)直接空冷機(jī)組需要配置數(shù)十臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，而直接空冷系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的噪聲，是電廠的主要噪聲源。因此，直接空冷風(fēng)機(jī)群產(chǎn)生的噪聲已成為公害之一[3]。風(fēng)機(jī)群噪聲在廠界內(nèi)是否滿足廠界噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是影響直接空冷系統(tǒng)及建設(shè)的重要問(wèn)題。

1 噪聲分析

直接空冷系統(tǒng)的噪聲主要是由軸流風(fēng)機(jī)群高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。軸流風(fēng)機(jī)的噪聲主要為機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲。機(jī)械噪聲包括電動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)件引起的噪聲、風(fēng)機(jī)葉輪不平衡所引起的振動(dòng)噪聲等。空氣動(dòng)力性噪聲主要包括離散噪聲和寬帶噪聲，前者與葉輪的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，具有離散的頻譜特性，后者是由于氣流流動(dòng)時(shí)的各種渦流分離產(chǎn)生的，是一種頻率連續(xù)變化的寬頻噪聲。根據(jù)氣動(dòng)聲學(xué)萊特希爾基本方程可知，風(fēng)機(jī)葉片噪聲是由3種典型聲源組成的，分別是單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。大量試驗(yàn)和實(shí)踐證明，偶極子聲源占主導(dǎo)地位。

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的快速發(fā)展，給我們提供了一種通過(guò)建立流場(chǎng)模型來(lái)模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)分布，來(lái)探討最佳風(fēng)機(jī)配置方案的方法[4]。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)某電廠實(shí)際配置方案，建立了5×6臺(tái)風(fēng)機(jī)規(guī)模的直接空冷島模型。利用Fluent軟件對(duì)直接空冷島模型進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，并通過(guò)聲學(xué)模塊對(duì)空冷島噪聲進(jìn)行了估算。

2 模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文采用Gambit軟件和網(wǎng)格處理軟件建立了模型，并且為模型繪制了網(wǎng)格。依據(jù)直接空冷系統(tǒng)空冷島的實(shí)際布置方式，建立了計(jì)算域內(nèi)的幾何模型如圖1所示：擋風(fēng)墻設(shè)置為wall，換熱翅片管束簡(jiǎn)化為radiator平面，風(fēng)機(jī)也簡(jiǎn)化為面，設(shè)置為fan。按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，盡可能地反映了電廠直接空冷島的真實(shí)情況。幾何模型采用了足夠大的計(jì)算域，以消除計(jì)算邊界的影響。模擬對(duì)象為三維模型，繪制了精確的網(wǎng)格，設(shè)定了準(zhǔn)確的邊界條件。本文的計(jì)算域采用四面體和六面體網(wǎng)格，遵循點(diǎn)線面體的原則逐步繪制，整個(gè)過(guò)程兼顧到計(jì)算條件和計(jì)算精度，選擇了合適的網(wǎng)格間距，同時(shí)對(duì)多尺度計(jì)算數(shù)據(jù)的傳遞有較好的連續(xù)性。本文模型中的空冷島及其周圍區(qū)域采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，如圖2所示，其他區(qū)域則采用質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)格。

圖1 空冷島模型

3 流場(chǎng)分析及噪聲估算

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，空氣被認(rèn)為是不可壓縮的理想流體，流體在固體壁面上無(wú)滑移，流動(dòng)為湍流流動(dòng)。在進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的模擬時(shí)，為縮短計(jì)算時(shí)間，首先經(jīng)過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算流場(chǎng)穩(wěn)定后再進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，待計(jì)算穩(wěn)定后再開(kāi)啟聲學(xué)模塊進(jìn)行噪聲估算。穩(wěn)態(tài)計(jì)算中紊流模型采用RNGk-ε模型，壓力-速度的耦合采用SIMPLE算法。噪聲估算采用的是非穩(wěn)態(tài)隱式求解，紊流模型采用LES大渦模型，采用PISO算法計(jì)算。

圖2 空冷島部分網(wǎng)格劃分

3.1 LES模型

LES的基本假設(shè)：(1)動(dòng)量、能量、質(zhì)量及其他標(biāo)量主要由大渦輸運(yùn)。(2)流動(dòng)的幾何和邊界條件決定了大渦的特性，而流動(dòng)特性主要在大渦中體現(xiàn)。(3)小尺度渦旋受幾何和邊界條件影響較小，并且各向同性；大渦模擬過(guò)程中，直接求解大渦，小尺度渦旋模擬，從而使得網(wǎng)格要求比DNS低。

LES控制方程如下：

(1)

(2)

3.2 FW&H模型

LES的基本假設(shè)：Fluent 中用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬聲音的產(chǎn)生與傳播，這個(gè)方程中采用了Lighthill 的聲學(xué)近似模型。FW&H方程如下：

(3)

式中：p′為遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓，Pa；a0為遠(yuǎn)場(chǎng)聲速，m/s；Tij為L(zhǎng)ighthill壓力張量，Pa；H(f)為亥維賽函數(shù)；pij為壓應(yīng)力張量，Pa；nj為指向外部的單位法向量；δ(f)為狄拉克得爾塔函數(shù)；ui為xi方向流速分量，m/s；un為垂直于f=0表面的流速分量，m/s；vn為垂直于表面的表面速度分量，m/s；ρ0為未振動(dòng)流體密度，kg/m3。

3.3 FW&H模型計(jì)算結(jié)果及分析

穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后的壓力及流線分布如圖3所示。選取y=0截面，從圖3中可以看出，空氣在流動(dòng)過(guò)程中偏轉(zhuǎn)最大的區(qū)域在空冷島兩側(cè)空氣入口處，此處的壓力也是最低的。而空冷單元的A型區(qū)域由于流道有遮擋，阻力增大，導(dǎo)致空氣流動(dòng)產(chǎn)生阻塞，在此處形成高壓，而在換熱翅片管束出口處形成低壓區(qū)。y=0截面的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

由圖4可以看出，高溫區(qū)呈錐形分布。從模擬結(jié)果來(lái)看，與實(shí)際空冷島的流場(chǎng)分布情況是比較符合的。

圖3 y=0截面壓力及流場(chǎng)分布(截屏圖)

圖4 y=0截面溫度場(chǎng)(截屏圖)

氣動(dòng)噪音的生成和傳播可以通過(guò)求解可壓N-S方程的方式進(jìn)行數(shù)值模擬。然而聲波的能量與氣流流動(dòng)的能量相比要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，客觀上要求氣動(dòng)噪音計(jì)算所采用的格式應(yīng)有很高的精度，同時(shí)從音源到聲音測(cè)試點(diǎn)劃分的網(wǎng)格也要足夠精細(xì)。因此，進(jìn)行直接模擬對(duì)系統(tǒng)資源的要求很高，而且計(jì)算時(shí)間也很長(zhǎng)。為了彌補(bǔ)直接模擬的這個(gè)缺點(diǎn)，本文采用了Lighthill的聲學(xué)近似模型，將聲音的產(chǎn)生與傳播過(guò)程分別進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到加快計(jì)算速度的目的[5]。

本文采用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬聲音的產(chǎn)生與傳播，這個(gè)方程中采用了Lighthill的聲學(xué)近似模型。Fluent采用在時(shí)間域上積分的辦法，在接收聲音的位置上，用2個(gè)面積分直接計(jì)算聲音信號(hào)的歷史。這些積分可以表達(dá)聲音模型中單極子、偶極子和四極子等基本解的分布。積分中需要用到的流場(chǎng)變量包括壓強(qiáng)、速度分量和音源曲面的密度等，這些變量的解在時(shí)間方向上必須滿足一定的精度要求。滿足時(shí)間精度要求的解可以通過(guò)求解非定常雷諾平均方程(URANS)獲得，也可以通過(guò)大渦模擬(LES)或分離渦模擬(DES)獲得。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過(guò)求解三維經(jīng)過(guò)修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運(yùn)動(dòng)特性，而對(duì)小渦旋運(yùn)動(dòng)還采用上述的模型。音源表面既可以是固體壁面，也可以是流場(chǎng)內(nèi)部的一個(gè)曲面。聲音的頻率范圍取決于流場(chǎng)特征、湍流模型和流場(chǎng)計(jì)算中的時(shí)間尺度?；贚ES模型的基本假設(shè)，F(xiàn)luent 中用Ffowcs Williams和Hawkings提出的FW-H方程模擬了聲音的產(chǎn)生與傳播，這個(gè)方程中采用了Lighthill的聲學(xué)近似模型。

4 流場(chǎng)分析及噪聲估算

氣動(dòng)噪聲的計(jì)算大體上可以分為兩大步：首先通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算，求出滿足時(shí)間精度要求的各相關(guān)變量(壓強(qiáng)、速度和密度)在音源曲面上的變化過(guò)程；然后利用求出的音源數(shù)據(jù)計(jì)算聲音接收點(diǎn)處的聲音壓強(qiáng)信號(hào)。

本文在直接空冷島模型中選取了6個(gè)接收點(diǎn)，分別為X軸和Y軸方向離空冷島0，100，200 m的6個(gè)點(diǎn)，計(jì)算了常規(guī)空冷島的噪聲分布情況，并對(duì)不同距離的聲壓級(jí)噪聲進(jìn)行了對(duì)比。如圖5所示，直接空冷島噪聲主要集中在500～2 000 Hz，高頻噪聲衰減較快。

圖5 空冷島噪聲分布

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算可以看出，F(xiàn)luent可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行有效模擬，可以考慮采取降低低頻噪聲的方式來(lái)改善直冷系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。

工程中控制噪聲的方式一般有2種，一種是降低噪聲源的噪聲，另一種是控制噪聲的傳播。對(duì)直接空冷島來(lái)說(shuō)，聲源噪聲可以是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)(葉片型式、數(shù)量、角度等參數(shù))、優(yōu)化管束布置等進(jìn)行控制?？刂圃肼暤膫鞑t主要是通過(guò)安裝消音器、加裝隔聲罩、布置吸音材料等。

本文通過(guò)搭建直接空冷島噪聲的流場(chǎng)模型，給相關(guān)研究人員進(jìn)行多方案比較、選擇最優(yōu)方案提供了一個(gè)可供借鑒的解決方案。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-03-23；

2017-07-11

TK 83

B

1674-1951(2017)08-0029-03

崔超(1980—)，男，河南商丘人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事電廠空冷、煙氣污染物控制技術(shù)等方面的工作(E-mail:cuic@cdte.com.cn)。