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。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 气动声学和计算气动声学

1.3 喷流噪声的研究现状

1.4 喷流噪声控制措施

1.4.1 控制喷射器喷流噪声的方法

1.4.2 控制蒸汽排气射流噪声的方法

1.5 噪声测量分析技术

1.5.1 常用的噪声测量仪器

1.5.2 噪声的测量方法

1.5.3 现场噪声的测量

1.5.4 噪声信号处理与频谱分析

1.6 课题研究目的和意义

1.7 研究内容和方法

第二章 气动声学模拟的数值方法

2.1 气动声学理论

2.1.1 Lighthill声比拟理论

2.1.2 Kirchhoff方法

2.1.3 Ffowcs Williams-Hawkings方法

2.2 计算气动声学

2.3 计算气动声学与计算流体力学

2.4 湍流数值模拟方法

2.4.1 雷诺平均法(RANS)

2.4.2 大涡数值模拟(LES)

2.4.3 Relizable κ-ε模型

2.5 数值离散化方法

2.5.1 有限差分法

2.5.2 有限元法

2.5.3 有限体积法

2.6 离散格式的选用

2.7 FLUENT中的气动噪声模块

2.7.1 直接计算气动声学法(CAA)

2.7.2 声类比模型(Acoustic Analogy Model)

2.7.3 宽带噪声模拟(Broadband Noise Modeling)

2.8 本章小结

第三章 喷射器流场数值模拟

3.1 蒸汽喷射器的工作原理

3.2 蒸汽喷射器的主要操作参数

3.2.1 工作蒸汽压力

3.2.2 引射流体压力

3.2.3 喷射器出口压力

3.3 蒸汽喷射器内流场的数值模拟

3.3.1 数值计算方法

3.3.2 计算结果及分析

3.4 闸阀流场的数值模拟

3.4.1 计算模型的建立

3.4.2 网格的划分

3.4.3 流体物性和边界条件

3.4.4 时间步长

3.4.5 计算结果及分析

3.5 圆湍自由射流流场模拟

3.5.1 射流的形成

3.5.2 射流的稳态数值模拟

3.5.3 自由射流的中的速度分布特性

3.5.4 射流的非稳态数值模拟

3.5.5 计算结果及分析

3.6 本章小结

第四章 蒸汽喷射器噪声数值计算及分析

4.1 空气动力性噪声的形成及声源的类型

4.1.1 空气动力性噪声的形成

4.1.2 声源类型

4.2 噪声的量度

4.2.1 声压与声压级

4.2.2 声强及声强级

4.2.3 声功率及声功率级

4.2.4 噪声的频谱与频带

4.2.5 计权声级

4.3 蒸汽喷射器内部噪声模拟

4.3.1 混合室流场结构及喷注噪声机理

4.3.2 蒸汽喷射器噪声成因的理论研究

4.4 闸阀喷注噪声模拟

4.4.1 闸阀模型及边界条件

4.4.2 闸阀蒸汽喷注声场的数值模拟

4.4.3 结果分析

4.5 圆湍射流噪声模拟

4.5.1 噪声模拟过程

4.5.2 射流噪声的指向性

4.6 本章小结

第五章 蒸汽喷射器噪声的实验研究

5.1 蒸汽喷射器噪声测试实验装置

5.1.1 主要实验装置

5.1.2 实验系统设计

5.2 实验方案及过程

5.2.1 实验方案

5.2.2 实验过程

5.3 测量结果及分析

5.4 模拟结果验证

5.5 降噪措施

5.5.1 改变出口结构

5.5.2 扩散式消声

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢