三噴頭蒸汽水下噴注噪聲試驗的問題和策略

1、三噴頭蒸汽水下噴注噪聲試驗的問題和策略利用蒸汽直接加熱給水的加熱方式廣泛應用于除氧器、給水加熱器、蓄熱器等動力設備中.蒸汽在水下噴注加熱液體的過程中會產(chǎn)生較強的噪聲和振動，對設備、環(huán)境等產(chǎn)生不良影響.一體化除氧器運行過程中，蒸汽經(jīng)水下再沸騰裝置射入水空間時，如果再沸騰裝置在噴頭結構及布置等方面設計不當，則會產(chǎn)生強烈的噪聲并引起除氧器振動，對除氧器安全運行及運行環(huán)境造成嚴重影響.因此，研究蒸汽水下噴注噪聲規(guī)律，并利用噪聲本身的變化規(guī)律來控制噪聲以減輕噪聲帶來的危害是非常有意義的.1研究現(xiàn)狀上世紀50年代，Lighthill運用聲學類比的方法推導出著名的V8定律【1】.該定律成為研究湍流噴注噪聲的

2、重要基礎.此后，各國學者在廣泛的范圍內(nèi)，從低壓到高壓阻塞噴注、從亞音速到超音速、從以冷空氣為噴注媒質(zhì)到任何氣體在不同溫度下的噴注，對在空氣中的氣體噴注噪聲的機理進行了大量研究，基本掌握了氣體噴注噪聲的輻射規(guī)律【2】.馬大猷等對小孔噴注噪聲、高壓阻塞噴注的湍流噪聲、脈動噴注噪聲與穩(wěn)態(tài)噴注噪聲的關系等方面進行了研究，并根據(jù)研究成果開發(fā)出了小孔消聲器.1990年代中期，馬憲國等對蒸汽和汽液兩相流的水下噴注噪聲進行了實驗研究，定性分析了影響蒸汽水下噴注噪聲的各種因素，發(fā)現(xiàn)水的過冷度對噴注噪聲影響最為顯著，實驗成果為噴注噪聲的進一步研究奠定了基礎.何愛妮等采用不同結構的噴頭，在不同的水溫和蒸汽流量下進行

3、單噴頭試驗研究，研究結果表明，蒸汽水下噴注A聲壓級噪聲主要受水溫和蒸汽流量的影響，且水溫為主要因素.截至目前，對蒸汽水下噴注噪聲所作的研究較少，已有的試驗結果由于蒸汽流量范圍較小、局限于單個噴頭進行試驗等原因，在工程應用上不能得到普遍適用.因此，有必要對蒸汽水下噴注噪聲作更深入的研究.2噴注噪聲影響因素分析流體聲學中主要聲輻射源類型包括： 進入到流體中的非平穩(wěn)質(zhì)量流引起的脈動體積聲源； 施加在剛性界面上的非平穩(wěn)力作用下的脈動力聲源；與流體動力運動本身有關的分量（對于液體，主要是與湍流運動有關的湍流聲源）.因此，廣義的Lighthill方程式的左邊是一個波動方程的形式，右邊則是能解釋為聲源的項，

4、即式中，PS為聲壓；c0為液體中的聲速；q為單位體積內(nèi)液體質(zhì)量的脈動速率；f為作用在單位體積液體上的脈動外力；τij為液體應力張量.蒸汽水下噴注時，不存在剛性界面的非平穩(wěn)力作用，因此，主要考慮由質(zhì)量流及湍流引起的噪聲.蒸汽在過冷液中噴注時，經(jīng)汽液相變和湍流等復雜的過程，被分割成大量的汽泡.由于汽液混合區(qū)內(nèi)存在較高的溫度梯度，汽泡迅速潰滅.在汽泡潰滅過程中，由于體積迅速變化，造成強烈的壓力脈動，從而產(chǎn)生強烈的體積脈動噪聲.此外，高速的蒸汽射入水中與周圍低速的水發(fā)生湍流混合，使水的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞而引起很大的擾動，由此產(chǎn)生湍流噪聲.對于脈動體積聲源，聲壓僅與流體的脈動質(zhì)量有關，因此將式（1

5、）簡化后可推得式中，PSf為脈動體積聲壓；ρl為液體密度；r為汽泡中心至流場中任一點處的徑向距離；t為時間；R為任意時刻汽泡半徑.對于水中一個孤立球形汽泡，根據(jù)汽液分界面上的熱力學平衡條件，當汽泡穩(wěn)定時有pv-pl=2σR（3）式中，pv為汽泡內(nèi)蒸汽壓力；pl為汽泡外液體壓力；σ為汽液界面上的表面張力.對于液體中任一自由汽泡，汽泡壁速度Ub為式中，p∞為無窮遠處液體的壓力，該處液體的速度和速度勢均為零；p0為汽泡形成（脫離噴頭瞬間）時汽泡內(nèi)的蒸汽壓力；R0為汽泡形成時的半徑；為汽化潛熱；ρv為汽泡內(nèi)的蒸汽密度；k為蒸汽和水之間的傳熱系數(shù)；&D

6、elta;T為蒸汽和水之間的溫差.汽泡壁速度反映了汽泡半徑隨時間的變化關系.由式（2）可知：汽泡半徑變化的快慢直接影響到聲壓的大小，汽泡形成時的半徑及液體密度對聲壓的大小也有影響.噴頭的結構參數(shù)（如孔徑大?。ζ菪纬蓵r的半徑大小有較大的影響.式（3）和式（4）反映了汽泡半徑的大小及半徑變化與汽泡內(nèi)外的蒸汽壓力、汽泡的表面張力、蒸汽溫度、蒸汽和周圍液體之間的溫差等因素之間的關系.因此，由質(zhì)量流引起的體積脈動噪聲源于汽泡破裂時產(chǎn)生的噪聲，與蒸汽和周圍液體之間的溫差、周圍液體的溫度及噴頭的結構等因素有關.對于汽液湍流混合產(chǎn)生的聲壓，根據(jù)Lighthill的V8定律，有式中，PSt為湍流混合聲壓；K

7、為常數(shù)；Uv為噴注蒸汽的速度；D為孔徑.從式（5）中可以看出，湍流噪聲的聲壓與蒸汽的噴注速度、孔徑等因素有關.多孔噴注時，相對孔間距S/D（S為孔間距）對噴注A聲壓級噪聲有較大的影響，其原因是經(jīng)各小孔噴出的噴注射流逐漸擴展，最后匯合到一起，形成大的噴注射流，成為一個匯合聲源，并且使得噴頭開孔處周圍的液體溫度迅速升高【7】.3試驗系統(tǒng)及試驗內(nèi)容在實際應用中，除氧器等蒸汽加熱設備多為多噴頭噴注.由于受試驗條件限制，考慮到噴頭之間的噴注干擾作用，故選有代表性的三噴頭進行試驗.試驗系統(tǒng)如圖1所示.試驗是以一定壓力的蒸汽在開式水箱內(nèi)通過不同結構的三噴頭噴注加熱過冷水進行的.噴頭間距固定，為600 mm.

8、噴頭與水面呈65夾角，且噴頭的開孔面朝向水面.水箱內(nèi)初始水位為0.7 m.整個試驗系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過冷水系統(tǒng)、蒸汽水下噴注系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等4個部分組成.圖1試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of the experimental system試驗試件為開有多個小孔的噴頭，共3種結構.噴頭管徑均為Φ 76x5 mm，開孔總面積相同，小孔布置方式均為錯列布置.各噴頭主要結構參數(shù)如表1所示.噴頭結構如圖2所示.表1噴頭結構參數(shù)Tab.1Structural parameters of ejectors圖2噴頭結構圖Fig.2Ejector structure

9、試驗過程中，采用HS6288B型A聲壓級計測量噴注A聲壓級噪聲（A聲壓級噪聲與人耳對噪聲的主觀感受近似一致）.蒸汽溫度和水箱內(nèi)水的溫度分別采用精度為A級的PT100鉑電阻和銅-康銅熱電偶測量.采用精度為 0.2 級的CECY-160型電容式壓力變送器（測量范圍00.6 MPa）測量蒸汽壓力.按蒸汽流量的大小，分別采用精度均為1級的YF105-AGSC2-CD型（測量范圍0500 m3-h-1）和YF110-AGSC2-CD型（測量范圍5001 662 m3-h-1）渦街流量計測量蒸汽流量.各儀表輸出信號同時輸入計算機，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r采集并記錄各項試驗數(shù)據(jù).采用3種不同結構的噴頭進行三噴頭水

10、下蒸汽噴注噪聲試驗，以研究水溫、蒸汽流量、噴頭結構對噴注噪聲的影響.4試驗結果與分析4.1水溫對噴注A聲壓級噪聲的影響圖3（見下頁）為蒸汽流量Q不同時不同噴頭的三噴頭試驗結果.從圖中可以看出，隨著水溫升高，A聲壓級噪聲先逐漸增加，達到最大值后又迅速下降，當水溫接近飽和溫度時噴注噪聲明顯低于水溫較低（低于7080）時的噴注噪聲.蒸汽流量一定時，在噴注起始階段，由于蒸汽與過冷水之間溫差大，汽泡半徑變化速度快，因此產(chǎn)生的噪聲聲壓高.同時由于凝結換熱速度快，汽泡潰滅所需的時間短，產(chǎn)生的噪聲頻率也高，而人耳對于高頻率的聲音不敏感.所以，水溫較低時，雖然汽泡潰滅產(chǎn)生的噪聲聲壓高，但高頻噪聲較多，而A聲壓級

11、噪聲較低.隨著水溫升高，汽泡潰滅產(chǎn)生的噪聲聲壓開始降低，但此時噪聲的頻率也隨之降低，因此A聲壓級噪聲是上升的.水溫繼續(xù)升高，汽泡潰滅產(chǎn)生的A聲壓級噪聲會達到一個最大值.隨著水溫進一步升高，汽泡潰滅產(chǎn)生的噪聲聲壓和頻率進一步降低，噴注噪聲中的低頻噪聲比重增加，使得A聲壓級噪聲下降.當水溫接近飽和溫度時，汽泡基本不再破裂，而是直接逸出水面，此時由汽泡潰滅引起的噪聲很小.圖3蒸汽流量Q不同時三噴頭噪聲的變化規(guī)律Fig.3Variation of noise under different steam flux （indicated by Q） for triple ejector對比文獻試驗結果可知

12、，單噴頭與三噴頭蒸汽水下噴注噪聲隨溫度的變化規(guī)律相似，但在單個噴頭蒸汽流量相同、加熱相同容積的過冷水情況下，由于三噴頭擾動效果更好，容器內(nèi)溫度較低的水更快地被卷入噴頭附近，使得三噴頭噴注噪聲高于單噴頭（約410 dB），說明蒸汽水下噴注噪聲的大小受到噴頭個數(shù)的影響.因此，三噴頭噴注噪聲試驗能更好地反映實際應用情況.4.2蒸汽流量對噴注A聲壓級噪聲的影響當噴頭結構一定時，蒸汽流量的變化也就是噴注速度的變化.如圖3所示，隨著蒸汽流量增加，其噴注噪聲是增大的.蒸汽流量較小時，即噴注速度較低的情況下，由于速度剪切和湍流混合的作用不明顯，產(chǎn)生的湍流噪聲并不顯著，此時噪聲主要由汽泡體積變化所致，產(chǎn)生的聲壓

13、級較??；隨著蒸汽流量增加，即噴注速度增大時，湍流強度高，速度剪切和湍流混合的作用加強，同時汽泡體積變化產(chǎn)生的噪聲也增加，因此聲壓級較高.4.3噴頭結構對噴注A聲壓級噪聲的影響圖4和圖5分別為相同蒸汽流量條件下，相同孔徑、不同相對孔間距噴頭和相同相對孔間距、不同孔徑噴頭的試驗結果.從圖4可以看出，孔徑相同時，相對孔間距小則噴注噪聲低.蒸汽流量較小時，水溫低于80時，相對孔間距較小者與相對孔間距較大者的噴注噪聲相差較大，二者最大相差9.2 dB；隨著蒸汽流量增加，即噴注速度增大，水溫低于70時，相對孔間距較小者與相對孔間距較大者的噴注噪聲相差較大，二者最大相差6.2 dB；繼續(xù)增加蒸汽流量，水溫低

14、于70時，相對孔間距較小者與相對孔間距較大者的噴注噪聲差值隨著水溫的降低而增大，二者最大相差約9 dB.此外，孔徑的減小，使得蒸汽流量增加時，噴注噪聲最大值對應的水溫逐漸提高.多個小孔同時噴注，相對孔間距小則各小孔噴注射流在噴口附近很快匯合成一個較大的噴注射流，使得靠近噴口處的水溫迅速升高，由汽泡潰滅引起的噪聲減小，故水溫較低時相對間距小的噴注噪聲要低于相對間距較大者的；隨著水溫的升高，潰滅噪聲逐漸減小，此時以湍流噪聲為主，故相對孔間距較小者與相對孔間距較大者的噴注噪聲在水溫高于7080時相差較小.圖4相對孔間距對噪聲的影響Fig.4Effect of S/D on noise圖5S/D相同時

15、孔徑對噪聲的影響Fig.5Effect of orifice diameter on noise at constant S/D從圖5可以看出，相對孔間距相同時，小孔徑噴注噪聲低于大孔徑噴注噪聲.蒸汽流量較小時，小孔徑和大孔徑的噴注噪聲最大值所對應的水溫基本一致；水溫為6080時，兩者噴注噪聲相差較大，最大可達11.9 dB.隨著蒸汽流量增加，小孔徑和大孔徑噴注噪聲最大值對應的水溫高于流量較小時；水溫低于70時，小孔徑與大孔徑的噴注噪聲相差較大，約34 dB.繼續(xù)增加蒸汽流量，小孔徑噴注噪聲最大值在較高水溫時出現(xiàn)；在水溫低于7080時，小孔徑與大孔徑的噴注噪聲相差較大，最大可達6.3 dB.噴

16、頭開孔面積相同條件下，孔徑小則孔數(shù)多，相對孔間距相同，實質(zhì)上孔間距也在減小，因此蒸汽與水之間的接觸換熱面積增大，相同流量下凝結換熱速度更快，使得水溫快速升高，蒸汽溫度與水溫的差值迅速減小，由汽泡破裂引起的潰滅噪聲減小.5結論通過試驗及結果分析，可以得出三噴頭噴注A聲壓級噪聲規(guī)律的結論如下：（1） 不同結構的噴頭在不同的蒸汽流量下，水溫對噴注A聲壓級噪聲的影響規(guī)律類似且明顯.噴注A聲壓級噪聲隨著水溫的升高是逐漸增加的，當水溫升高到一定值時噴注A聲壓級噪聲達到最大值，之后隨著水溫進一步升高，A聲壓級噪聲則開始迅速下降，水溫接近飽和溫度時的A聲壓級噪聲值最小.（2） 蒸汽流量或者蒸汽流速對噴注噪聲的

17、影響比較明顯.隨著蒸汽流量增加，噴注A聲壓級噪聲增大.（3） 噴頭孔徑相同時，噴頭相對孔間距越小則噴注A聲壓級噪聲越??；相對孔間距相同情況下，噴頭孔徑越小則噴注A聲壓級噪聲越小.參考文獻：【1】LIGHTHILL M J.On sound generated aerodynami cally . Proc Roy Soc，1952，A211（1107）：564-587.【2】馬大猷.湍流噴注噪聲定律的發(fā)展.聲學學報，1987，12（5）：321-328.【3】馬大猷，李沛滋，戴根華，等.小孔噴注噪聲和小孔消聲器.中國科學，1977（5）：445-455.【4】馬大猷，李沛滋，戴根華，等.高壓阻塞噴注的湍流噪聲.聲學學報，1979，14（3）：176-181.【5】豐樂平，馬大猷.脈動噴注噪聲與穩(wěn)態(tài)噴注噪聲的關系.聲學學報，1990，15（5）：378-383.【6】馬憲國，趙在三，陳之航.疏水進入除氧器水箱噴注噪聲的實驗研究.華東工業(yè)大學