機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)與分析

崔超，趙允濤，黃文慧，楊立軍

（1．中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司，北京市 海淀區(qū) 100097；2．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

直接空冷系統(tǒng)是指汽輪機(jī)的排汽直接用空氣來(lái)冷凝，空氣與蒸汽通過(guò)翅片管束進(jìn)行熱交換。直接空冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、調(diào)節(jié)靈活、投資較低等特點(diǎn)，為嚴(yán)重缺水的煤礦和電力負(fù)荷中心區(qū)域建設(shè)大型火電廠開(kāi)辟了一條經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的途徑，因此在世界上獲得了快速發(fā)展[1]。我國(guó)直接空冷技術(shù)是在北方富煤缺水、氣候寒冷、晝夜溫差大的地區(qū)應(yīng)用并發(fā)展起來(lái)的[2]。由于直接空冷系統(tǒng)采用的是機(jī)械通風(fēng)的方式，需要使用數(shù)十臺(tái)大型軸流風(fēng)機(jī)，因此其在大量節(jié)約電廠用水的同時(shí)增加了電廠的噪聲水平。噪聲不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的身心健康，也影響了廠區(qū)周圍的環(huán)境[3]，對(duì)新建項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)群所引起的噪聲的控制治理，已經(jīng)成為環(huán)保機(jī)關(guān)審批的關(guān)鍵指標(biāo)[4]。為研究直接空冷風(fēng)機(jī)特性，張輝等[5]通過(guò)模擬得到了直冷空冷風(fēng)機(jī)的入口空氣流動(dòng)特性，水海波等[6]研究了直接空冷系統(tǒng)空冷單元內(nèi)部的空氣動(dòng)力學(xué)特性。很多學(xué)者對(duì)軸流風(fēng)機(jī)以及系統(tǒng)噪聲也做了大量的研究工作。潘虹宇等[7]在保持風(fēng)機(jī)直徑不變的條件下，利用葉型加彎方法改造葉型，得到氣動(dòng)性能基本不變、噪聲降低的風(fēng)機(jī)模型。孫迎浩等[8]對(duì)改進(jìn)前后的彎掠葉片軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)與噪聲性能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)，孫揚(yáng)智等[9]分析了軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的分布規(guī)律以及其隨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和半徑的變換規(guī)律。方開(kāi)祥等[10]利用Fluent計(jì)算流體軟件對(duì)風(fēng)機(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬以及風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行預(yù)估。梁冬青[11]和郭欣[12]分別闡述了空冷風(fēng)機(jī)和直接空冷系統(tǒng)的主要噪聲源及機(jī)理，并提出了降噪措施。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent，對(duì)直冷空冷單元和流場(chǎng)進(jìn)行了模擬和噪聲預(yù)測(cè)，并對(duì)5×6規(guī)模的空冷島進(jìn)行了流場(chǎng)模擬以及噪聲預(yù)估，并模擬了增加降噪措施后的空冷島的流場(chǎng)及聲壓級(jí)噪聲，分析比較了空冷島熱力性能以及聲壓級(jí)噪聲的變化。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本文主要研究的是直接空冷單元和5×6規(guī)模的直接空冷系統(tǒng)。以實(shí)際直接空冷系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為模型，利用專業(yè)的畫圖軟件Gambit進(jìn)行三維物理模型建模以及網(wǎng)格劃分等前處理工作。圖1為直冷單元模型，主要包括蒸汽管道、換熱翅片管束、風(fēng)機(jī)等。其中風(fēng)機(jī)選擇的是Φ 9.144 m的空冷常用風(fēng)機(jī)，模型中采用實(shí)際風(fēng)機(jī)模型?？绽鋶u的模型如圖2所示，由5×6規(guī)模的空冷單元組成，模型中的換熱翅片管束和風(fēng)機(jī)均簡(jiǎn)化為了面。模型中建立了足夠大的計(jì)算域，以消除邊界的影響。為研究降噪措施的效果，建立了如圖 3所示的增加了消音墻的空冷島模型，即擋風(fēng)墻的內(nèi)側(cè)增加了一層多孔介質(zhì)。

為保證計(jì)算過(guò)程的可靠性和減少計(jì)算時(shí)間，直冷單元的主體部分和空冷島部分均采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，其他部分采用的是結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，如圖4所示，且主體部分的網(wǎng)格細(xì)密，并以此為中心向外的網(wǎng)格越來(lái)越稀疏。

圖1 直冷單元模型Fig. 1 Model of direct air cooling cell

圖2 傳統(tǒng)空冷島模型Fig. 2 Conventional model of ACCs

圖3 加消音墻空冷島模型Fig. 3 Model of ACCs with the noise reduction wall

2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

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)。

Fluent中使用FW-H方程模擬聲音的產(chǎn)生與傳播。Fluent采用在時(shí)間域上積分的辦法，在接收聲音的位置上，用兩個(gè)面積分直接計(jì)算聲音信號(hào)的歷史。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(large eddy si mulation，LES)或分離渦模擬(detached eddy simulation，DES)獲得。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig. 4 Schematic of mesh

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。噪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。

本文在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，將空氣認(rèn)為是不可壓縮理想流體，流動(dòng)為湍流流動(dòng)，流體在固體壁面上沒(méi)有滑移。在直冷單元的模擬中，流場(chǎng)模擬紊流模型采用RNG k-ε模型，穩(wěn)態(tài)、隱式、非耦合求解，壓力-速度的耦合處理采用 SIMPLE算法，將非定常問(wèn)題用定常方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由于模型中存在旋轉(zhuǎn)區(qū)域，它的邊界包含靜邊界和動(dòng)邊界，因此將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分成旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)。兩者之間的耦合采用移動(dòng)參考坐標(biāo)系(moving reference frame，MRF)模型。空冷單元模型中換熱部分簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，其出口面設(shè)置為 radiator條件，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為79 r/min?？绽鋶u模型中，軸流風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化為面，設(shè)置為 fan類型，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線圖來(lái)設(shè)置風(fēng)機(jī)參數(shù)，將換熱翅片管束簡(jiǎn)化為面，設(shè)置為 radiator模型，將空冷島四周的擋風(fēng)墻設(shè)置為wall。消音墻設(shè)置為多孔介質(zhì)，厚度為10 cm，孔隙率設(shè)置為0.9。

在氣動(dòng)噪聲的計(jì)算過(guò)程中，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，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算穩(wěn)定后采用非穩(wěn)態(tài)算法，得到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)壓力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上利用 Fluent中的聲學(xué)模塊FW&H模型進(jìn)行噪聲模擬計(jì)算。

LES的控制方程是對(duì)Navier-Stokes方程在波數(shù)空間或者物理空間進(jìn)行過(guò)濾得到的。過(guò)濾的過(guò)程是去掉比過(guò)濾寬度或者給定物理寬度小的渦旋，從而得到大渦旋的控制方程。

目前，大渦模擬對(duì)不可壓流動(dòng)問(wèn)題得到較多應(yīng)用，但在可壓縮問(wèn)題中的應(yīng)用還很少，因此這里涉及的理論都是針對(duì)不可壓流動(dòng)的大渦模擬方法。在Fluent中，大渦模擬只能針對(duì)不可壓流體(當(dāng)然并非說(shuō)是密度是常數(shù))的流動(dòng)。

2.1 控制方程

空氣穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱過(guò)程中的控制方程可表示為

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ、Γφ、Sφ代表控制變量、擴(kuò)散系數(shù)及源項(xiàng)。各變量在通用控制方程中的表達(dá)式在表1中列出。

2.2 LES 模型

LES的控制方程是對(duì)Navier-Stokes方程在波數(shù)空間或者物理空間進(jìn)行過(guò)濾得到的。過(guò)濾的過(guò)程是去掉比過(guò)濾寬度或者給定物理寬度小的渦旋，從而得到大渦旋的控制方程。過(guò)濾不可壓的Navier-Stokes方程后，可以得到LES控制方程：

表1 通用控制方程中變量的表達(dá)式Tab. 1 Variable expressions in the generic governing equation

式中：τij為亞網(wǎng)格應(yīng)力，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；ui，uj為速度分量，m/s；t為時(shí)間，s；xj為長(zhǎng)度分量，m

很明顯，上述方程與雷諾平均方程很相似，只不過(guò)大渦模擬中的變量是過(guò)濾過(guò)的量，而非時(shí)間平均量，并且湍流應(yīng)力也不同。

2.3 FW&H 模型

Fluent中用 Ffowcs W illiams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：

式中：p′為遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓，Pa；a0為遠(yuǎn)場(chǎng)聲速，m/s；ρ0為未擾動(dòng)流體密度，kg/m3；un為流速分量，m/s；vn為表面速度分量，m/s；Tij為L(zhǎng)ighthill壓力張量，Pa；pij為壓應(yīng)力張量，Pa；δ(f)為狄拉克得爾塔函數(shù)；H(f)為亥維賽函數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

噪聲模擬需要進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。為了縮短計(jì)算時(shí)間、得到可靠數(shù)據(jù)，首先要在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行流場(chǎng)的計(jì)算，通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間結(jié)果收斂后得到穩(wěn)定的流場(chǎng)，然后再進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

3.1 直冷單元噪聲模擬

直接空冷單元的噪聲源主要是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。為研究噪聲的分布規(guī)律，直冷單元的噪聲模擬過(guò)程中，在沿風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸正下方1、10、20 m以及34.8 m(離地1.5 m)設(shè)置了接收點(diǎn)，進(jìn)行聲音數(shù)據(jù)的采集。

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂之后采用非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行噪聲的計(jì)算。通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算和聲音數(shù)據(jù)的采集，利用Fluent對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到了各接收點(diǎn)處的聲音文件，并通過(guò) FFT處理最終得到如圖5所示的各接收點(diǎn)處聲壓級(jí)噪聲值的1/3倍頻程圖。由于計(jì)算機(jī)條件的限制，模擬的噪聲頻率范圍為0～6000 Hz。從圖中可以看出，直冷單元的聲壓級(jí)噪聲值在所研究的頻率范圍內(nèi)的分布比較均勻。計(jì)算得出距風(fēng)機(jī)1、10、20、34.8 m 的聲壓級(jí)噪聲值分別為86、79、74、70 dB。

圖5 直冷單元1/3倍頻程圖Fig. 5 Spectrum of 1/3 octave band of direct air cooling cell

3.2 空冷島噪聲模擬

由于所研究的空冷島模型包括 30個(gè)空冷單元，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此建模時(shí)對(duì)空冷單元結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)化處理，其中風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化為了圓面，換熱管束簡(jiǎn)化成為矩形面。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到了空冷島的穩(wěn)定流場(chǎng)后，在非穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行噪聲計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中選取了3個(gè)接收點(diǎn)，分別為高度Z為1.5m、沿X軸方向距離空冷島0、100、200 m的3個(gè)點(diǎn)。本文分別計(jì)算了常規(guī)空冷島以及加消音墻后的空冷島的噪聲分布情況，并對(duì)兩個(gè)模型聲壓級(jí)噪聲進(jìn)行了對(duì)比。

如圖 6所示為常規(guī)空冷島模型的聲壓級(jí)噪聲，噪聲頻率分布從0～3000 Hz，0、100、200 m接收點(diǎn)噪聲值分別為148、133、124 dB，圖7為加消音墻后的空冷島模型聲壓級(jí)噪聲值分布圖，其相應(yīng)接收點(diǎn)的值分別為140、126、116 dB。從計(jì)算結(jié)果可以看出，增加10 cm多孔介質(zhì)消音墻后，噪聲值下降了約5.4%。為了進(jìn)一步分析噪聲的變化情況，在圖8中將兩種空冷島模型相同距離的1/3倍頻程圖進(jìn)行了對(duì)比，從圖中可以看出，在增加消音墻后，各接收點(diǎn)0～2000 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲值都得到了大幅降低。上述結(jié)果說(shuō)明，在空冷島擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)布置的多孔介質(zhì)能有效地降低空冷島噪聲中的中低頻部分，并最終降低了整個(gè)空冷島的噪聲。

圖6 常規(guī)空冷島1/3倍頻程圖Fig. 6 Spectrum of 1/3 octave band of conventional ACCs

圖7 加消音墻空冷島1/3倍頻程圖Fig. 7 Spectrum of 1/3 octave band of ACCs with the noise reduction wall

圖8 兩種模型不同距離處聲壓級(jí)值比較Fig. 8 Comparison of sound pressure levels at different distances between the two models

4 結(jié)論

本文利用Fluent對(duì)空冷單元和空冷島進(jìn)行噪聲模擬，從計(jì)算結(jié)果可以看出：

1）本文的直冷單元采用的是實(shí)際風(fēng)機(jī)模型，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)直冷單元噪聲進(jìn)行預(yù)估，得到的噪聲值與實(shí)際噪聲值接近，可以得出在計(jì)算模型與實(shí)際接近時(shí)，計(jì)算結(jié)果是比較可靠的。

2）空冷島中的風(fēng)機(jī)模型簡(jiǎn)化為薄面，經(jīng)過(guò)對(duì)直接空冷島進(jìn)行流場(chǎng)模擬和噪聲預(yù)估，可以看出，空冷島流場(chǎng)與實(shí)際生產(chǎn)中的規(guī)律符合，但是噪聲預(yù)估有一定的偏差。因此，利用Fluent進(jìn)行噪聲計(jì)算時(shí)，結(jié)果的可靠性與模型的準(zhǔn)確性有緊密的關(guān)系，因此應(yīng)該盡量對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化。

3）通過(guò)對(duì)常規(guī)空冷島和加消音墻的空冷島的對(duì)比，得出在擋風(fēng)墻內(nèi)部布置多孔介質(zhì)的消音墻對(duì)空冷島的熱力性能基本沒(méi)有影響，但是可以降低空冷島噪聲中的低頻部分，從而降低空冷島的噪聲水平。