黃汝玲， 李官鵬， 王兆陽(yáng)， 安春國(guó)， 郭 暢， 高 明

(1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆?濟(jì)南 250013； 2. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 濟(jì)南 250353； 3. 山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 高效節(jié)能及儲(chǔ)能技術(shù)與裝備山東省工程實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061)

火電廠煙風(fēng)道是用于輸送煙氣、冷風(fēng)等介質(zhì)的重要通道，既要承受煙氣與冷風(fēng)壓力、自重與積灰(僅煙道)等荷載，還要承受煙風(fēng)氣產(chǎn)生的熱應(yīng)力，受力情況非常復(fù)雜，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不但影響著煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，還會(huì)影響與煙風(fēng)道相連的各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。同時(shí)，煙風(fēng)道本身表面積大，相應(yīng)的輻射噪聲聲功率較大，其運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲具有高噪聲、噪聲穩(wěn)定、輻射面大等特點(diǎn)。因此，針對(duì)煙風(fēng)道的噪聲特性，研究其降噪方案設(shè)計(jì)，對(duì)其他類似管路系統(tǒng)的噪聲研究具有一定的指導(dǎo)意義。

在流場(chǎng)優(yōu)化和噪聲控制方面，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重要構(gòu)件，可以提高流體在流動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和分布均勻性。導(dǎo)流罩和導(dǎo)流板均是常見的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于車輛行駛的減阻降噪優(yōu)化[3-4]或其他空間噪聲源的噪聲特性研究[5]，此外，導(dǎo)流板還可用于各種腔體和管道的流場(chǎng)優(yōu)化及噪聲控制[6-8]。由于煙氣在煙道彎頭及分支結(jié)構(gòu)部位會(huì)產(chǎn)生漩渦運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)紊亂，引發(fā)煙道系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲[9]，因此導(dǎo)流板是電廠煙風(fēng)道的重要內(nèi)構(gòu)件之一，一般安裝在煙道彎管處，引導(dǎo)氣流流動(dòng)、提高管內(nèi)氣流分布均勻性并降低噪聲。

目前，針對(duì)管道內(nèi)導(dǎo)流板的研究主要集中在利用導(dǎo)流作用改善流動(dòng)特性。潘伶等[10]研究了導(dǎo)流板及不同優(yōu)化方案對(duì)選擇性催化還原(SCR)脫硝反應(yīng)器煙道內(nèi)部的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化后的導(dǎo)流板組件可以改善煙道內(nèi)氣流分布特性，減小壓降，改善出口速度不均勻性。陽(yáng)君等[11]在列管式煙氣-煙氣換熱(GGH)換熱器煙道內(nèi)部加設(shè)導(dǎo)流板和布風(fēng)板，研究表明，改造后的煙道煙氣速度均勻度和偏態(tài)系數(shù)有所減小，可抑制彎管及變截面引起的流動(dòng)分離現(xiàn)象，避免產(chǎn)生大渦流，使煙氣更加均勻地進(jìn)入換熱器系統(tǒng)。張昊[12]和劉璐璐等[13]研究了導(dǎo)流板對(duì)流激孔腔噪聲的影響，驗(yàn)證了導(dǎo)流板在噪聲控制方面的作用。丁杰等[14]在某地鐵車輛輔助變流器的風(fēng)道內(nèi)添加導(dǎo)流板，通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法證明添加導(dǎo)流板可以增加有效吸聲面積，提升降噪效果。

目前，對(duì)于典型管道氣動(dòng)噪聲的研究較少，導(dǎo)致電廠煙風(fēng)道的噪聲控制改造缺乏可靠的理論研究和改造方案參考。筆者主要研究煙道彎管內(nèi)部導(dǎo)流板組件對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，研究成果可為電廠煙風(fēng)道等管道的噪聲優(yōu)化改造提供指導(dǎo)。

1 煙道模型

本文研究對(duì)象為某電廠引風(fēng)機(jī)后的煙道，其表壓力約為3.945 kPa，溫度約為113 ℃，入口流速約為31.11 m/s，具體尺寸如圖1所示。為研究導(dǎo)流板對(duì)煙道氣動(dòng)噪聲的影響，建立煙道三維幾何模型，并在第1節(jié)和第2節(jié)矩形彎管內(nèi)部安裝2組導(dǎo)流板組件，如圖2所示。每塊導(dǎo)流板的半徑和弧度見表1。

(a) 正視圖

(a) 第1節(jié)矩形彎管

2 數(shù)值模擬方法

2.1 流場(chǎng)模擬

采用Fluent軟件模擬煙道內(nèi)流場(chǎng)，在此過程中，煙道進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件，出口采用自由出流條件，壁面為無滑移壁面條件[15-16]。定常模擬采用穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性較好、適用范圍廣的標(biāo)準(zhǔn)模型。收斂定常模擬后，基于大渦模擬進(jìn)行非定常流場(chǎng)模擬，其中亞格子模型選擇WALE模型。

表1 導(dǎo)流板尺寸

2.2 聲場(chǎng)模擬

基于自由空間格林函數(shù)求解FW-H方程獲得聲場(chǎng)信息，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：等號(hào)右側(cè)依次為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源，其中偶極子聲源在管道流動(dòng)噪聲中起主導(dǎo)作用[17]。此外，a0為聲音在空氣中的傳播速度；p′為聲壓；vn為流體速度在控制面法向的投影；un為控制面法向速度分量；nj為單位法向量；δ(f)為狄拉克δ函數(shù)；H(f)為赫維賽德函數(shù)；f為固體邊界函數(shù)；pij為應(yīng)力張量；Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量；xi，xj分別為空間點(diǎn)的坐標(biāo)軸分量；t為時(shí)間；ρ為密度。

在非定常計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上，激活Fluent聲學(xué)模塊中的FW-H方程[18-19]來計(jì)算煙道外氣動(dòng)噪聲。計(jì)算聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)用于后續(xù)分析，其計(jì)算公式分別為：

(2)

(3)

式中：Ls和Lp分別為聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)；Pef為有效聲壓；Pref為參考聲壓(空氣中為2×10-5Pa)；nm代表頻率數(shù)量。

2.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

為研究2組導(dǎo)流板組件的數(shù)量和位置對(duì)煙道氣動(dòng)噪聲的影響，首先改造該煙道的前半段，基于ICEM軟件，分別對(duì)原始煙道、改變導(dǎo)流板位置和改變導(dǎo)流板數(shù)量(依次變化為2塊、6塊和8塊)的煙道劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3所示。通過對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下煙道外與進(jìn)口中心水平距離1 000 mm處的氣動(dòng)噪聲，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，結(jié)果見表2。由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)由334萬增加至509萬時(shí)，相對(duì)偏差僅變化了0.6%，因此為兼顧速度和準(zhǔn)確度，選擇334萬的網(wǎng)格可滿足獨(dú)立性要求，前半段煙道的各改造方案模型的網(wǎng)格數(shù)量均保持在334萬左右。

表2 前半段煙道原始模型網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果

通過對(duì)比煙道前半段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲的聲壓級(jí)可知，安裝2塊導(dǎo)流板的煙道降噪效果最好，因此在第1節(jié)彎管內(nèi)設(shè)置2塊導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)煙道的后半段進(jìn)行導(dǎo)流板組件改造。分別對(duì)煙道整體的原始模型和改變導(dǎo)流板數(shù)量(依次選取2塊、4塊)的模型劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。整體煙道模型的網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果見表3。由表3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)由696萬增至758萬時(shí)，相對(duì)偏差僅變化了0.29%。因此為兼顧速度和準(zhǔn)確度，選取696萬的網(wǎng)格，改造方案模型網(wǎng)格數(shù)均保持在696萬左右。

表3 整體煙道原始模型網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果

2.4 數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可行性。驗(yàn)證模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證模型幾何結(jié)構(gòu)[20]

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的聲壓級(jí)模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，頻域內(nèi)聲壓級(jí)模擬值峰值較多，而聲壓級(jí)實(shí)驗(yàn)值峰值較少，可能是由于在管道輸送流體的過程中，受到了環(huán)境噪聲及管道振動(dòng)的影響。不同測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)模擬及實(shí)驗(yàn)值頻域響應(yīng)特性相似，聲壓級(jí)隨頻率的增加呈下降趨勢(shì)。

(a) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處總聲壓級(jí)的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，不同測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)的模擬值和實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差均小于1%。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

綜上可得，聲壓級(jí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)相似的頻域響應(yīng)特性，且總聲壓級(jí)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較小，兩者結(jié)合驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

為研究導(dǎo)流板組件的數(shù)量和排布方式對(duì)煙道氣動(dòng)噪聲的影響，在煙道外設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示，均位于距煙道1 000 mm的位置。由于煙道模型包含2組導(dǎo)流板組件，因此先研究前半段煙道中包含的第1組導(dǎo)流板，通過對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)噪聲模擬結(jié)果獲得導(dǎo)流板的改造方案，并在此基礎(chǔ)上對(duì)包含第2組導(dǎo)流板的煙道整體進(jìn)行數(shù)值模擬，完成對(duì)整體煙道模型的氣動(dòng)噪聲分析，得到確保氣動(dòng)噪聲最小的導(dǎo)流板組合方案。

3 結(jié)果與分析

3.1 煙道內(nèi)部三維流場(chǎng)分析

前半段煙道的原始模型和改造后模型的入口中心水平截面湍動(dòng)能如圖8所示。湍動(dòng)能是指流體在流動(dòng)過程中湍流強(qiáng)度的大小，可用于描述煙氣在流動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，并反映噪聲源位置和量級(jí)。由圖8可知，煙氣進(jìn)入煙道后，由于管道截面面積增大，使得氣流擴(kuò)散不充分，在彎管出口之前的管段兩側(cè)及導(dǎo)流板處會(huì)出現(xiàn)湍動(dòng)能較高的區(qū)域，且容易形成漩渦。設(shè)置導(dǎo)流板可以提高流體分布的均勻性，降低彎管處的湍動(dòng)能，改變導(dǎo)流板位置及數(shù)量對(duì)湍動(dòng)能分布特性的影響較小。

整體煙道原始模型和改造后模型出口中心豎直截面的湍動(dòng)能如圖9所示。由圖9可知，改造前后煙道的高湍動(dòng)能區(qū)域均位于第1節(jié)彎管附近，第2節(jié)彎管和出口區(qū)域的湍流運(yùn)動(dòng)較為平緩，導(dǎo)流板數(shù)量變化對(duì)后半段煙道內(nèi)部湍動(dòng)能分布的影響較小。

3.2 煙道外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲分析

前半段煙道原始模型和改造后模型管外監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1～5)氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果如圖10所示。結(jié)合圖8的湍動(dòng)能分布特性結(jié)果可知，彎管內(nèi)側(cè)的湍動(dòng)能強(qiáng)度高于彎管外側(cè)，經(jīng)過彎管內(nèi)側(cè)的煙氣流動(dòng)更紊亂，對(duì)于不同數(shù)量的導(dǎo)流板組件，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的總聲壓級(jí)最高。與原始煙道相比，改變導(dǎo)流板位置后，煙道的平均總聲壓級(jí)由125.74 dB減小至124.14 dB，降低了1.3%；當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量為2時(shí)，平均總聲壓級(jí)減小至123.6 dB，降低了1.7%；當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量增至4和6時(shí)，平均總聲壓級(jí)進(jìn)一步增大，大于原始煙道。在第1節(jié)彎管內(nèi)裝有2塊導(dǎo)流板的改造方案基礎(chǔ)上，研究第2節(jié)彎管內(nèi)導(dǎo)流板組件改造方案。

圖10 前半段煙道管外不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)

整體煙道原始模型和改造后模型管外監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1～7)氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果如圖11所示。結(jié)合圖9可知，第2節(jié)彎管內(nèi)側(cè)湍動(dòng)能高于外側(cè)，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處的總聲壓級(jí)高于監(jiān)測(cè)點(diǎn)6。此外，當(dāng)?shù)?節(jié)彎管內(nèi)部的導(dǎo)流板數(shù)量分別為2和4時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)基本均小于原始煙道，平均總聲壓級(jí)分別降低了4.8%和4.1%。因此，對(duì)于第2節(jié)彎管，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量為2時(shí)，降噪效果最好。

圖11 整體煙道管外不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)

4 結(jié) 論

(1) 在煙氣流經(jīng)方圓節(jié)和直管的過程中，由于管道截面面積增大，使得氣流擴(kuò)散不充分，在靠近壁面的位置出現(xiàn)湍動(dòng)能較高的區(qū)域，且容易形成渦流。設(shè)置導(dǎo)流板可以提高流體分布的均勻性，降低彎管處的湍動(dòng)能。改變導(dǎo)流板排布方式或數(shù)量對(duì)湍動(dòng)能分布特性影響較小。

(2) 對(duì)比前半段煙道內(nèi)導(dǎo)流板組件的不同排布方案可得，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量為2時(shí)，煙道所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲相對(duì)較小，與原始模型相比，改造后模型氣動(dòng)噪聲的平均總聲壓級(jí)降低了1.7%。

(3) 當(dāng)2組導(dǎo)流板組件均包含2塊導(dǎo)流板時(shí)，降噪效果最佳，與2組件分別包含8塊和6塊導(dǎo)流板的原始煙道相比，改造后模型氣動(dòng)噪聲的平均總聲壓級(jí)降低了4.8%。