CFD技術(shù)在解決管路振動噪音問題中的應(yīng)用

1、 4 應(yīng)用CFD技術(shù)解決軸流壓縮機(jī)放空管路振動噪聲問題 冀春俊張鵬剛/大連理工大學(xué)動力工程系 摘要：針對某軸流壓縮機(jī)放空管道在生產(chǎn)過程中振動劇烈、噪聲大的實(shí)際問題，應(yīng)用CFD軟件對其內(nèi)部流 動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并據(jù)此改進(jìn)了原設(shè)計(jì)，對改進(jìn)方案的數(shù)值模擬，解決了噪聲大的問題。 關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；放空旁路管道 中圖分類號：TH48文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 文章編號：1006-8155 （ 2007） 05-0059-04 The Application of CFD Technique in Vibration and Noise Problem of the By-pass Tube Syste

2、m of Axial-flow Compressor Abstract: Accord ing to the practical problem of heavy vibrati on and no ise of the by-pass tube of an axial-flow compressor duri ng the product ion, the CFD software is applied to nu merically simulate the in ternal flow. So the original design is modified and improved. T

3、he improvement plan is simulated numerically and solves the problem of heavy no ise effectively. Key words: CFD; nu merical simulati on; by-pass tube system 0引言 某石油化工有限公司，為滿足催化裝置擴(kuò)能改造的需要，于2001年3月，對催化軸流壓縮機(jī)進(jìn)行了擴(kuò) 容改造。改造后風(fēng)量提高了30%機(jī)組運(yùn)行良好。然而在日常生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，改造后軸流壓縮機(jī)放空管道振 動劇烈，噪聲很大。這不僅威脅著生產(chǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命，同時(shí)噪聲也嚴(yán)重地污染著廠區(qū)的環(huán)

4、境。 改進(jìn)放空管道的設(shè)計(jì)成了一個(gè)實(shí)際而又緊迫的問題。初步分析認(rèn)為管路內(nèi)部流動存在問題，為了從根本上 解決問題，需要對管路內(nèi)部的流動進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。目前，商業(yè)CFD軟件可以完成這一工作1。本文 應(yīng)用STAR-CD對放空管道的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，流動分析的結(jié)果揭示了管道劇烈振動和噪聲大的原 因。在此基礎(chǔ)上對放空管道重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行流動分析。計(jì)算結(jié)果顯示上述問題得到了解決，經(jīng)工廠的生產(chǎn) 實(shí)踐證明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案是成功的。 1原設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬及流動分析 由于噪聲，振動與管道中流體流動之間的密切關(guān)系2，本文決定對管道中的流動進(jìn)行數(shù)值模擬以揭示 其原因。 1.1控制方程及計(jì)算模型 計(jì)算流體力學(xué)（CF

5、D ）方法是對流場的控制方程用計(jì)算數(shù)學(xué)的方法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或中心 上求其數(shù)值解的一種方法。這些控制方程分別為連續(xù)性方程，動量方程和能量方程。它們聯(lián)立組成的方程 組稱為N-S方程組，是流體流動所遵守的普遍規(guī)律3。 aa 連續(xù)性方程：ej）二為（1） +jktPNL 本構(gòu)關(guān)系: p =2SjUi 無,Pb ,Pnl UiUj巴一 p上已豈旦 】Xj3 xi 叫:X 式中p為空氣密度；U為速度；p為壓力; 為流體動力粘性系數(shù)；.jj為應(yīng)力張量；sij為應(yīng)變率張量; i,j,k=1,2,3, ； Sm為動量源分量；k為湍流動能；g為湍流耗散率；岀為紊流粘性系數(shù)。式（3）、（4）中的 首先，根

6、據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù)，建立了放空管道的三維實(shí)體模型（見圖1 ）；然后，對幾何實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格 劃分（見圖2）。 圖1原管道的三維圖 圖2原管道的網(wǎng)格及邊界條件 右邊第一項(xiàng)表示有剪切和法向應(yīng)力及重力產(chǎn)生的紊流；第二項(xiàng)表示粘性耗散；第三項(xiàng)表示壓縮性的影響； 最后一項(xiàng)表示非線性的影響。即pNL =0時(shí)表示線性模型。 為了保證計(jì)算精度和效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用了正交性很好的0型網(wǎng)格。求解時(shí)控制方程選為全三維 的雷諾平均N-S方程、連續(xù)方程、能量守恒方程和理想氣體控制方程及高雷諾數(shù)的k- 湍流模型（根據(jù)雷 諾數(shù)定義：Re = ；vd計(jì)算得出Re=4.56 x 106）。在近壁面區(qū)域用壁面函數(shù)來處理。工質(zhì)空氣認(rèn)為是

7、理想流體， 由于流速較高，只能作為可壓縮流處理。取密度為壓力和溫度的函數(shù)p=f（T,p）。按照已知條件在進(jìn)出口處 設(shè)定邊界條件，其中進(jìn)口邊界類型為INLET邊界，給定氣流的速度、靜溫、密度、湍流強(qiáng)度和尺度系數(shù)等。 出口邊界類型為PRESSURE界，僅給定氣流的背壓、湍流強(qiáng)度和尺度系數(shù)。算法采用基于壓力修正的SIMPLE 算法。 1.2 結(jié)果分析 原管道的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖 3圖6所示。從圖5得出：（1）在三通1后面形成了一個(gè)大的漩渦，從 而對旁路中氣體的通流起到了阻塞作用。由于渦團(tuán)的阻塞作用，旁路中氣體的流速非常低，通過旁路的氣 體很少，所以氣體大部分通過主路排出。而主路截面積較小，造成主路閥門

8、處的速度過大；（2）氣體經(jīng)過 三通2時(shí)直接沖擊管壁，并在后面形成了一個(gè)大的漩渦。由于上述兩個(gè)大的漩渦作用，可對管道產(chǎn)生較大 的激振力以加劇管道的振動，同時(shí)可產(chǎn)生比較大的渦流噪聲2并使流動情況變差；（3）在主路的閥門處， 是管道中速度的最大處，已經(jīng)超過音速（Ma1）,形成了激波，這可以從圖 4和圖6中明顯地看出。由于 激波的作用，使氣流流動的噪聲加大，同時(shí)也對管道的振動起到了加劇的作用。通過上述的分析發(fā)現(xiàn)，原 來的管道設(shè)計(jì)不合理是造成其中流動情況惡劣的主要原因，也是管路振動和噪聲過大的主要原因，必須改 進(jìn)其設(shè)計(jì)方案才能解決存在的問題。 I LKM I創(chuàng) 的口 H2DEi 摯33 JI 1T 如比

9、 M 旦一 圖7改進(jìn)方案管道的三維幾何模型 圖5原管道的速度分布放大圖 圖6原管道的馬赫數(shù)分布放大 2改進(jìn)方案的數(shù)值模擬及流動分析 根據(jù)原來管道的數(shù)值模擬結(jié)果和分析，在征求廠方意見后確定了放空管道的改進(jìn)方案。圖7是改進(jìn)方 案的三維幾何模型。管道的主要改進(jìn)：（1對主路處管徑進(jìn)行了加粗；（2）支路和主路分開處的連接由原 來的三通變?yōu)閵A角為 45連接；（3）將支路轉(zhuǎn)至主路的上方，和下面的主路平行布置，支路和主路的匯合 處移到管道的垂直段；（4）管道各處的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行了加大。為了節(jié)約改進(jìn)費(fèi)用， 廠方不希望更換閥門（閥 門為電磁閥，價(jià)格較高），故在改進(jìn)方案中仍采用原有的閥門。 對新建立的三維幾何實(shí)體進(jìn)行

10、網(wǎng)格劃分，并且正確的設(shè)置計(jì)算模型。經(jīng)計(jì)算后得到計(jì)算結(jié)果如圖8 圖12所示。 由圖8圖12得出： （1 ）新方案管道的氣體流動情況明顯改善，漩渦大大減弱，只在主路和支路分開的地方存在一個(gè)小 的漩渦，所以由漩渦產(chǎn)生的渦流噪聲2將減小。由于沒有了氣流直接沖擊管壁和大的漩渦，管道的振動將 大為緩解; （2）流動從超音速變?yōu)閬喴羲伲ㄗ畲篑R赫數(shù)降為 降低； 0.6左右）。沒有了激波的存在，將使氣動噪聲顯著 圖8改進(jìn)方案管道的三維速度分布 圖9改進(jìn)方案管道的馬赫數(shù)分布 圖10改進(jìn)方案管道速度分布放大圖A （中剖面） PKOETAF! 3.11=1 儷潔 inn “皿 jnr J Jldt： 02J?B 0冊

11、 a I 57D 0.114B 圖11改進(jìn)方案管道馬赫數(shù)分布放大圖（中剖面） 圖12改進(jìn)方案管道速度分布放大圖B 5 （3）主路的閥門處仍舊是速度最大處。如果可能的話，建議廠方更換大的閥門，這樣將使流動情況 進(jìn)一步改進(jìn)。將主路和支路交匯后的豎直段加粗，也可使流動進(jìn)一步改善。 3 結(jié)論 （1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，新方案管道中氣體流動比原有管道中氣體流動情況好得多。漩渦 明顯減弱可使振動明顯減輕，最大馬赫數(shù)由超音速降至 0.6 左右，將大大減輕氣動噪聲和管路振動。 （2）根據(jù)廠方提供的反饋意見，自從管道改進(jìn)設(shè)計(jì)以后其振動和噪聲大大降低。實(shí)際運(yùn)行情況再次 表明這是一次成功的改進(jìn)設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 1 John D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics The Basics with Applicatio