鄭賢中，於潛軍，徐小明

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

熱風(fēng)爐是鋼鐵冶煉設(shè)備高爐的一個(gè)重要組成部分[1-2].熱風(fēng)爐的主要作用是把鼓風(fēng)加熱到要求的溫度，用以提高高爐的效益和效率.但是在冶煉過(guò)程中經(jīng)常要調(diào)節(jié)氣體流量的大小，以配合各種工況下鋼鐵的冶煉.為了實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)氣流目的，需要用閥或閥組的開(kāi)啟或關(guān)閉.其中閥在啟閉瞬間產(chǎn)生巨大的噪音，而噪聲又已成為威脅人類(lèi)生存的三大公害之一，噪聲對(duì)人們的心理和生理都有嚴(yán)重的影響.故需要對(duì)閥組進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，以期能得到閥組的噪音值，從而判定噪聲危害的程度，而該噪聲產(chǎn)生的主要原因是振動(dòng)，又由于閥或閥組在此過(guò)程中的使用頻率高，屬于易發(fā)生損壞失效的部件，故對(duì)熱風(fēng)爐閥做聲固耦合分析[3-5]對(duì)減噪和強(qiáng)度校核有著重要的實(shí)際意義.

筆者以某熱風(fēng)爐閥為研究對(duì)象進(jìn)行聲固耦合分析，主要從模態(tài)振型和聲固耦合[6]等方面對(duì)閥體和閥周?chē)鷧^(qū)域流體進(jìn)行分析.重點(diǎn)計(jì)算了閥體及閥體周?chē)穆晥?chǎng)，得到了閥體周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)噪音值，以期通過(guò)改變結(jié)構(gòu)以達(dá)到減噪的效果，并期望此計(jì)算結(jié)果能對(duì)熱風(fēng)爐閥減噪有一定的參考意義.

1 聲振耦合有限元分析理論基礎(chǔ)

1.1 聲學(xué)Helmholtz波動(dòng)方程

解決聲學(xué)外聲場(chǎng)問(wèn)題的最終目的就是要求解某個(gè)特定問(wèn)題的Helmholtz(人名：亥姆霍茲)波動(dòng)方程的解，而聲學(xué)Helmholtz方程是結(jié)合了聲波的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和物態(tài)方程推導(dǎo)得來(lái)的[7].

▽2p(x，y，z)-k2p(x，y，z)=-jρ0ωq(x,y,z)

(1)

1.2 耦合聲學(xué)有限元方程

聲音作用于結(jié)構(gòu)上的聲壓載荷可以看作是附加的法線載荷，可得到動(dòng)力學(xué)方程如下：

(Ks+jωCs-ω2Ms)·{ui}+Kc{pi}={Fsi}

(2)

在流體和結(jié)構(gòu)耦合的位置處，結(jié)構(gòu)法線方向的振動(dòng)速度與流體法線方向的振動(dòng)速度相同，在流固耦合交界面處，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度可以看作是聲音的附加速度輸入，這時(shí)聲學(xué)方程變化為如下方程(3)所示：

(Ka+jωCa-ω2Ma)·{pi}-ω2Mc{ui}={Fai}

(3)

將方程(2)、(3)寫(xiě)成一個(gè)矩陣的形式，并進(jìn)行耦合處理，得到耦合聲學(xué)方程：

(4)

2 微穿孔板消聲閥體聲場(chǎng)計(jì)算

2.1 工程閥體概述

圖1所示即為某熱風(fēng)爐管道的一個(gè)閥體，當(dāng)氣態(tài)流體從左端入口流入，隨活塞推移而經(jīng)穿孔柱板流入腔體，該過(guò)程中噪音主要源自氣體流動(dòng)時(shí)對(duì)固體管壁產(chǎn)生沖擊而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪音和氣體湍流振動(dòng)的氣動(dòng)噪音.該閥結(jié)構(gòu)是依據(jù)小孔噴流消音機(jī)理，小孔噴注消音的設(shè)計(jì)機(jī)理是根據(jù)科學(xué)院聲學(xué)研究所馬大猷教授等人提出的小孔噴注噪聲極其控制理論[8-9]，從發(fā)聲機(jī)理上使它的干擾噪聲減少，由于噴注噪聲峰值頻率與噴口直徑成反比，若噴口直徑變小，噴口輻射的噪聲能量將從低頻移向高頻，于是低頻噪聲被降低，高頻噪聲反而增高.經(jīng)試驗(yàn)表明，當(dāng)孔徑d≤4 mm時(shí)，人耳能聽(tīng)到的低頻噪音能被降低，以達(dá)到減噪的作用；同時(shí)若在中間部分加入一個(gè)活塞來(lái)回的滑動(dòng)，以達(dá)到控制流量的效果，故該閥體兼有消音減壓的效果.

故選用孔徑為4 mm的穿孔板焊接在熱風(fēng)爐管道中，左端是管道入口，右端是管道出口，中間部分為帶孔柱板，氣體經(jīng)左端通過(guò)柱板再進(jìn)入大容積腔體，最后再通過(guò)管道出口流出，整個(gè)過(guò)程既實(shí)現(xiàn)了閥體減壓的效果，也實(shí)現(xiàn)了減噪的效果.

圖1 閥體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic drawing of the valve structure

2.2 有限元計(jì)算

2 2.1建立幾何模型 建立如圖2所示的帶孔柱板，其具體尺寸為內(nèi)徑150 mm，外徑160 mm，底板厚度為10 mm，然后再在其外圍建立一個(gè)半徑為200 mm的實(shí)心圓柱體，將實(shí)心圓柱體減去帶孔柱板，得到如圖3的實(shí)體流體模型.再在外部建立一個(gè)半徑為600 mm的球形區(qū)域用來(lái)模擬周?chē)穆晥?chǎng)，也即是周?chē)牧黧w.結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，其模型透視如圖5所示.

圖2 帶孔柱板圖Fig.2 The chart of cylindrical sheet with holes

2.2.2 建立有限元模型 對(duì)于三維聲學(xué)問(wèn)題，ANSYS(有限元分析軟件)聲場(chǎng)分析指定了兩種單元類(lèi)型：三維模型的流體部分分別使用Fluid30(ANSYS軟件中的一種單元)單元和Fluid130(ANSYS軟件中的另一種流體單元)，且Fluid130單元必須和Fluid30一起使用，用來(lái)構(gòu)造包圍Fluid30單元的無(wú)限外殼[10].利用兩種單元類(lèi)型可以構(gòu)造流體部分的模型，然后利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元Solid185構(gòu)造固體模型.只有Fluid30單元才能與結(jié)構(gòu)單元相接觸；Fluid130單元只能與Fluid30單元相接觸，而不能直接與結(jié)構(gòu)單元接觸.由于ANSYS的以上功能，故分別選用Solid185單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)模型，選用Fluid30來(lái)模擬與固體接觸的流體部分，選用Fluid130單元用來(lái)構(gòu)造無(wú)限外殼.

結(jié)構(gòu)模型采用普通低碳鋼制作，其材料屬性分別為彈性模型Ex為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9t/mm3，流體模型需要定義速度和密度，速度為3.44×105mm/s，密度為1.21×10-12t/mm3，無(wú)限外殼的聲速為2×103mm/s.

圖3 內(nèi)部流體Fig.3 Inner fluid

圖4 周?chē)晥?chǎng)模型圖Fig.4 The model figure of Acoustic field surrounding

圖5 線可視模型圖 Fig.5 The model figure of line visibility

由于柱板有很多小孔，若是不作處理自由劃分網(wǎng)格，小孔邊緣位置網(wǎng)格質(zhì)量很差，若是要保證小孔邊緣的網(wǎng)格質(zhì)量，又導(dǎo)致整個(gè)柱板的單元數(shù)過(guò)多而加大計(jì)算負(fù)擔(dān)甚至無(wú)法計(jì)算.故采用Solid185單元對(duì)柱板上小孔進(jìn)行切分之后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，切分之后的柱板結(jié)構(gòu)如圖6所示,切分之后對(duì)柱板兩端和底板進(jìn)行掃掠劃分，然后對(duì)有小孔的中間柱板部分采用智能劃分，劃分網(wǎng)格之后的網(wǎng)格如圖7所示.對(duì)中間部分的流體采用Fluid30單元智能方式劃分，劃分之后的網(wǎng)格如圖8所示，中間網(wǎng)格局部視圖如圖9所示.對(duì)外圍球體部分采用Fluid30單元自由劃分，單元尺寸設(shè)置為40 mm,劃分網(wǎng)格圖如圖10所示.

圖6 切分之后模型圖Fig.6 The model figure after segmentation

圖7 切分之后網(wǎng)格圖Fig.7 The mesh chart after segmentation

圖8 中間流體網(wǎng)格圖Fig.8 The intermediate fluid mesh chart

圖9 中間流體網(wǎng)格正視圖Fig.9 The front view chart of intermediate fluid mesh

2.2.3加載與求解 劃分網(wǎng)格后，由于流體和固體是兩個(gè)單獨(dú)的部分，只有通過(guò)耦合才能使流體和固體進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算，故在流體和固體交界面處定義流固耦合面，即FSI(流固耦合)如圖11和圖12所示.然后在柱板入口處施加0.25 MPa的入口壓力.再在無(wú)限外殼面定義吸聲屬性，此處吸聲屬性定義為1，即全吸聲屬性，如圖13所示.最后設(shè)置計(jì)算參數(shù)并計(jì)算，設(shè)置步長(zhǎng)為20，范圍從500至1 000.

圖10 中間流體網(wǎng)格正視圖Fig.10 The front view chart of intermediate fluid grid

圖11 流固耦合交界面(整體視圖)Fig.11 Interface of fluid-structure interaction

圖12 流固耦合交界面(局部視圖)Fig.12 Interface of fluid-structure interaction

圖13 無(wú)限外殼定義吸聲屬性Fig.13 The sound absorption properties chart of infinite shell

3 聲場(chǎng)分析與結(jié)論

隨著人們對(duì)其所居住環(huán)境越來(lái)越重視，環(huán)保部門(mén)開(kāi)始慢慢地關(guān)注和管制噪音的危害，而且出臺(tái)了相關(guān)限制噪音的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范.工業(yè)企業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大噪音值為90 dB,實(shí)際普通熱風(fēng)爐閥在啟閉時(shí)產(chǎn)生的噪音高達(dá)120 dB,嚴(yán)重地污染了周?chē)沫h(huán)境.對(duì)該有限元模型求解計(jì)算成功后通過(guò)后處理，得到如圖14所示聲壓級(jí)云圖，從該圖中可看出最大的聲壓級(jí)值為79.2 dB.由此可知采用該新型減壓閥能從模擬仿真方面得到的噪音值滿足相關(guān)法律法規(guī)所要求控制的噪音范圍，可推知小孔噴注是一種行之有效的減噪方法，但必須要選用合理的小孔孔徑及排列方式.

圖14 聲壓級(jí)分布云圖Fig.14 Distributed cloud chart of sound pressure level

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某熱風(fēng)爐系統(tǒng)中閥做聲振耦合有限元計(jì)算，并分析聲場(chǎng)結(jié)果，最后可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

b.僅當(dāng)小孔的直徑為4 mm左右時(shí)，消音減噪的效果較佳.若是孔徑太小，小孔容易被氣體中的雜質(zhì)堵塞，若是孔徑過(guò)大，又不能將高頻噪音濾去，達(dá)不到消音減噪的效果.

c.計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果表明，ANSYS是一款比較實(shí)用的有限元處理軟件,其用戶界面良好,前、后處理功能強(qiáng)大,計(jì)算精確度高,是求解聲場(chǎng)分布行之有效的有限元處理軟件.

致 謝

本文研究工作得到武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的鼎力支持，在此表示衷心的感謝！

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剛開(kāi)始自駕游時(shí)，大孫女李子宜還在上小學(xué)，現(xiàn)在她已經(jīng)上高三了。這些年的出游大大鍛煉了她的各種能力。從新疆回來(lái)后，她將自己的感受寫(xiě)成了14頁(yè)紙的《天路行》，獲得“國(guó)家新聞獎(jiǎng)”。在學(xué)校，她制作的旅游幻燈片圖文并茂，很受同學(xué)們歡迎，為此，她成為學(xué)校的小記者。她的地理成績(jī)?cè)谌昙?jí)也是名列前茅。

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