太阳能制冷用小型喷射器噪声研究及对策

【摘要】： 喷射器噪声是一种常见的噪声,研究其发声的机理、特性,掌握发声的规律,并利用这些规律有效地控制它的发生,进而降低其对人们生活、工作的干扰和危害,具有十分重要的意义。本文以计算流体力学为基础,结合传统的气动声学理论,对太阳能喷射式制冷用小型蒸汽喷射器的喷注噪声进行了数值预测,并提出有效的降噪措施。 本文介绍了有关气动声学理论和湍流数值模拟方法,讨论了计算气动声学的特性及其与计算流体力学的差异,并基于计算流体软件FLUENT阐述了气动声学模拟的方法及具体步骤,指出气动声学的模拟需要借助于流场的详细信息。 基于上述思想,分别对蒸汽喷射器系统3个部分的流场模拟采取了相应的数值模拟。针对喷射器主体部分,采用二维简化模型,分块结构化网格,标准κ-ε模型,得到蒸汽喷射器内复杂的流场结构,并对速度振荡现象和凝结突跃现象进行了分析;对喷射器出口闸阀流场,采用κ-ε模型进行了数值模拟,分析了工作压力和闸阀开度对喷射器出口闸阀流场的影响;针对蒸汽喷射器出口的圆湍自由射分别进行了稳态和非稳态的数值模拟,稳态情况下采用标准κ-ε模型得到轴线和径向的流速分布规律,非稳态数值模拟采用大涡模型,再现了圆湍射流中拟序结构非定常演化的前期过程,成功地捕获到了射流中Kelvin-Helmholtz不稳定性的触发与初级涡环的卷起及其配对合并现象,得到喷射器射流噪声的主要根源是拟序结构,对拟序结构加以抑制和破坏,能大大降低噪声。 根据模拟的流场信息,主要采用声类比模型和宽带噪声模型对蒸汽喷射器的噪声源分布进行模拟。对蒸汽喷射器内部采用宽带噪声模型进行模拟,结果表明噪声源主要分布在喷嘴出口处和扩压段入口处,在这两段区域内由于高速气流的核心到混合边界的速度梯度大,气流之间存在复杂多变的应力,涡流强度高,气流内各处的压强和流速变化迅速,产生四极子声源,而导致很强的喷注噪声。对闸阀喷注噪声,分析了压力和开度对闸阀流动噪声的影响,并给出噪声的指向性分布和上、下游声场强度的衰减比较,通过理论分析,指出阀后的漩涡是阀门流噪声的主要声源之一。对圆湍射流噪声的模拟采用了FW-H方法,从声压的时域振荡曲线进行快速傅里叶变换(FFT)得到射流噪声的频谱图,与试验测得的频率基本相符,随着出口压力的升高,辐射噪声的声压级是逐渐增加的,而频率特性变化甚小。 根据蒸汽喷射器噪声的模拟,在现有试验条件下对喷射器出口处的射流噪声进行测量。结果表明该噪声声压级最高达到75.4dBA,频率在20Hz-20KHz之间;集中在中高频,而且在人耳最敏感的区域1kHz～4kHz达到最大值;同时得到声压级和工作压力呈正比例关系,背压对声压级的影响较小,声压级基本保持在同一水平上。本文从噪声传播的途径上采用两种方法对喷射器噪声进行控制:一是通过改变出口结构来达到降低噪声,结果表明通过改变出口结构,降噪效果有限,在3～5dBA左右,且高速气流对出口结构进行冲击,造成噪声二次污染;二是采用多孔材料降低气流速度,使用纱制的圆管,降噪效果最高到达10dBA,且没有噪声的二次污染,此类结构值得进一步开展研究,有望获得更好的降噪效果。 【关键词】：喷射器 气动噪声 大涡模拟 FW-H声类比模型
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TB535;TB65
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 前言12-13
• 1.2 气动声学和计算气动声学13-14
• 1.3 喷流噪声的研究现状14-15
• 1.4 喷流噪声控制措施15-18
• 1.4.1 控制喷射器喷流噪声的方法15-17
• 1.4.2 控制蒸汽排气射流噪声的方法17-18
• 1.5 噪声测量分析技术18-21
• 1.5.1 常用的噪声测量仪器18-19
• 1.5.2 噪声的测量方法19-20
• 1.5.3 现场噪声的测量20
• 1.5.4 噪声信号处理与频谱分析20-21
• 1.6 课题研究目的和意义21
• 1.7 研究内容和方法21-22
• 第二章 气动声学模拟的数值方法22-37
• 2.1 气动声学理论22-25
• 2.1.1 Lighthill声比拟理论23-24
• 2.1.2 Kirchhoff方法24
• 2.1.3 Ffowcs Williams-Hawkings方法24-25
• 2.2 计算气动声学25-26
• 2.3 计算气动声学与计算流体力学26
• 2.4 湍流数值模拟方法26-29
• 2.4.1 雷诺平均法(RANS)27-28
• 2.4.2 大涡数值模拟(LES)28
• 2.4.3 Relizable κ-ε模型28-29
• 2.5 数值离散化方法29-30
• 2.5.1 有限差分法30
• 2.5.2 有限元法30
• 2.5.3 有限体积法30
• 2.6 离散格式的选用30-31
• 2.7 FLUENT中的气动噪声模块31-36
• 2.7.1 直接计算气动声学法(CAA)31-32
• 2.7.2 声类比模型(Acoustic Analogy Model)32-35
• 2.7.3 宽带噪声模拟(Broadband Noise Modeling)35-36
• 2.8 本章小结36-37
• 第三章 喷射器流场数值模拟37-54
• 3.1 蒸汽喷射器的工作原理37-38
• 3.2 蒸汽喷射器的主要操作参数38-39
• 3.2.1 工作蒸汽压力38
• 3.2.2 引射流体压力38
• 3.2.3 喷射器出口压力38-39
• 3.3 蒸汽喷射器内流场的数值模拟39-44
• 3.3.1 数值计算方法39-41
• 3.3.2 计算结果及分析41-44
• 3.4 闸阀流场的数值模拟44-47
• 3.4.1 计算模型的建立45
• 3.4.2 网格的划分45
• 3.4.3 流体物性和边界条件45-46
• 3.4.4 时间步长46
• 3.4.5 计算结果及分析46-47
• 3.5 圆湍自由射流流场模拟47-53
• 3.5.1 射流的形成47-48
• 3.5.2 射流的稳态数值模拟48-49
• 3.5.3 自由射流的中的速度分布特性49-50
• 3.5.4 射流的非稳态数值模拟50-51
• 3.5.5 计算结果及分析51-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 蒸汽喷射器噪声数值计算及分析54-69
• 4.1 空气动力性噪声的形成及声源的类型54-57
• 4.1.1 空气动力性噪声的形成54-55
• 4.1.2 声源类型55-57
• 4.2 噪声的量度57-58
• 4.2.1 声压与声压级57
• 4.2.2 声强及声强级57
• 4.2.3 声功率及声功率级57-58
• 4.2.4 噪声的频谱与频带58
• 4.2.5 计权声级58
• 4.3 蒸汽喷射器内部噪声模拟58-61
• 4.3.1 混合室流场结构及喷注噪声机理58-60
• 4.3.2 蒸汽喷射器噪声成因的理论研究60-61
• 4.4 闸阀喷注噪声模拟61-65
• 4.4.1 闸阀模型及边界条件61
• 4.4.2 闸阀蒸汽喷注声场的数值模拟61-62
• 4.4.3 结果分析62-65
• 4.5 圆湍射流噪声模拟65-67
• 4.5.1 噪声模拟过程65-66
• 4.5.2 射流噪声的指向性66-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第五章 蒸汽喷射器噪声的实验研究69-88
• 5.1 蒸汽喷射器噪声测试实验装置69-71
• 5.1.1 主要实验装置69-70
• 5.1.2 实验系统设计70-71
• 5.2 实验方案及过程71-73
• 5.2.1 实验方案71-73
• 5.2.2 实验过程73
• 5.3 测量结果及分析73-77
• 5.4 模拟结果验证77-79
• 5.5 降噪措施79-86
• 5.5.1 改变出口结构79-85
• 5.5.2 扩散式消声85-86
• 5.6 本章小结86-88
• 第六章 结论与展望88-90
• 6.1 结论88-89
• 6.2 展望89-90
• 参考文献90-93
• 附录93-109
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况109-110
• 致谢110

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