導(dǎo)流板對火電廠煙道氣動噪聲特性影響的模擬研究

黃汝玲， 李官鵬， 王兆陽， 安春國， 郭 暢， 高 明

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司， 濟(jì)南 250013； 2. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 能源與動力工程學(xué)院， 濟(jì)南 250353； 3. 山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 高效節(jié)能及儲能技術(shù)與裝備山東省工程實驗室， 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)計結(jié)構(gòu)不但影響著煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，還會影響與煙風(fēng)道相連的各設(shè)備運行狀態(tài)[1-2]。同時，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。因此，針對煙風(fēng)道的噪聲特性，研究其降噪方案設(shè)計，對其他類似管路系統(tǒng)的噪聲研究具有一定的指導(dǎo)意義。

在流場優(yōu)化和噪聲控制方面，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是一項重要構(gòu)件，可以提高流體在流動過程中的穩(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)部位會產(chǎn)生漩渦運動，導(dǎo)致煙氣在煙道內(nèi)流動紊亂，引發(fā)煙道系統(tǒng)的振動和噪聲[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、提高管內(nèi)氣流分布均勻性并降低噪聲。

目前，針對管道內(nèi)導(dǎo)流板的研究主要集中在利用導(dǎo)流作用改善流動特性。潘伶等[10]研究了導(dǎo)流板及不同優(yōu)化方案對選擇性催化還原(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)流板對流激孔腔噪聲的影響，驗證了導(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驗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，對于典型管道氣動噪聲的研究較少，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)流板組件對氣動噪聲的影響，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)流板對煙道氣動噪聲的影響，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 流場模擬

采用Fluent軟件模擬煙道內(nèi)流場，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 聲場模擬

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

(1)

式中：等號右側(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Lighthill應(yīng)力張量；xi，xj分別為空間點的坐標(biāo)軸分量；t為時間；ρ為密度。

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

(2)

(3)

式中：Ls和Lp分別為聲壓級和總聲壓級；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)量和位置對煙道氣動噪聲的影響，首先改造該煙道的前半段，基于ICEM軟件，分別對原始煙道、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，相對偏差僅變化了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

通過對比煙道前半段各監(jiān)測點噪聲的聲壓級可知，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)對煙道的后半段進(jìn)行導(dǎo)流板組件改造。分別對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)格獨立性驗證結(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，相對偏差僅變化了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)確性驗證

對比數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[20]的實驗結(jié)果，驗證數(shù)值模擬方法的可行性。驗證模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 驗證模型幾何結(jié)構(gòu)[20]

監(jiān)測點1和監(jiān)測點2處的聲壓級模擬及實驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，頻域內(nèi)聲壓級模擬值峰值較多，而聲壓級實驗值峰值較少，可能是由于在管道輸送流體的過程中，受到了環(huán)境噪聲及管道振動的影響。不同測點的聲壓級模擬及實驗值頻域響應(yīng)特性相似，聲壓級隨頻率的增加呈下降趨勢。

(a) 監(jiān)測點1

監(jiān)測點1和監(jiān)測點2處總聲壓級的模擬及實驗結(jié)果見表4。由表4可知，不同測點總聲壓級的模擬值和實驗值相對誤差均小于1%。

表4 監(jiān)測點總聲壓級模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

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

2.5 測點布置

為研究導(dǎo)流板組件的數(shù)量和排布方式對煙道氣動噪聲的影響，在煙道外設(shè)置7個監(jiān)測點，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，通過對比不同測點噪聲模擬結(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，完成對整體煙道模型的氣動噪聲分析，得到確保氣動噪聲最小的導(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能如圖8所示。湍動能是指流體在流動過程中湍流強(qiáng)度的大小，可用于描述煙氣在流動過程中的穩(wěn)定性，并反映噪聲源位置和量級。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)流板處會出現(xiàn)湍動能較高的區(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，降低彎管處的湍動能，改變導(dǎo)流板位置及數(shù)量對湍動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能如圖9所示。由圖9可知，改造前后煙道的高湍動能區(qū)域均位于第1節(jié)彎管附近，第2節(jié)彎管和出口區(qū)域的湍流運動較為平緩，導(dǎo)流板數(shù)量變化對后半段煙道內(nèi)部湍動能分布的影響較小。

3.2 煙道外部監(jiān)測點氣動噪聲分析

前半段煙道原始模型和改造后模型管外監(jiān)測點(1～5)氣動噪聲的聲壓級對比結(jié)果如圖10所示。結(jié)合圖8的湍動能分布特性結(jié)果可知，彎管內(nèi)側(cè)的湍動能強(qiáng)度高于彎管外側(cè)，經(jīng)過彎管內(nèi)側(cè)的煙氣流動更紊亂，對于不同數(shù)量的導(dǎo)流板組件，監(jiān)測點3處的總聲壓級最高。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，平均總聲壓級減小至123.6 dB，降低了1.7%；當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量增至4和6時，平均總聲壓級進(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)測點氣動噪聲的聲壓級

整體煙道原始模型和改造后模型管外監(jiān)測點(1～7)氣動噪聲的聲壓級對比結(jié)果如圖11所示。結(jié)合圖9可知，第2節(jié)彎管內(nèi)側(cè)湍動能高于外側(cè)，因此監(jiān)測點5處的總聲壓級高于監(jiān)測點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，各監(jiān)測點總聲壓級基本均小于原始煙道，平均總聲壓級分別降低了4.8%和4.1%。因此，對于第2節(jié)彎管，當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量為2時，降噪效果最好。

圖11 整體煙道管外不同監(jiān)測點氣動噪聲的聲壓級

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，降低彎管處的湍動能。改變導(dǎo)流板排布方式或數(shù)量對湍動能分布特性影響較小。

(2) 對比前半段煙道內(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，煙道所有監(jiān)測點的氣動噪聲相對較小，與原始模型相比，改造后模型氣動噪聲的平均總聲壓級降低了1.7%。

(3) 當(dāng)2組導(dǎo)流板組件均包含2塊導(dǎo)流板時，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，改造后模型氣動噪聲的平均總聲壓級降低了4.8%。