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《天津大学》 2018年
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基于多物理场分析的喷嘴结构设计

GNEBEHI YVES-AIME  
【摘要】:喷嘴通常是不同横截面面积的管道,其结构形式对射流动力学性能有很大影响。喷嘴通常用于控制从其流出的排出流体的流动速度、方向、形状和压力。当流体流过喷嘴时管内的高压气流在工作条件下产生一定程度的噪声。工业上使用的流体输运设备如用于处理不锈钢的高压喷嘴,会产生120 dB或以上的强噪声,严重污染车间的工作环境,对工人的健康和工作效率产生负面影响。因此,论文通过对气流噪声的机理和特性进行研究,设计满足热量传递的条件下较低噪声水平的喷嘴结构。试验研究喷嘴构型对高压水射流流动影响时结果最为可靠,然而成本昂贵且周期较长,因此本文应用涡粘性模型和二阶精度的有限体积法对不同喷嘴的外部流场进行了大涡模拟,研究了不同喷嘴外部流场非定常结构特性,具体内容如下:首先,根据压力、速率和噪声之间的关系设计喷嘴的结构;其次,通过分析高压射流引起的噪声构建射流模型;第三,通过数值模拟的方法对不同喷嘴结构和射流噪声的关联进行了研究,计算采用直径为0.8 mm的喷嘴,分别以不同的形式排列。采用CATIAV5软件设计了喷嘴形状,并利用ANSYS和FLUENT对气流分析进行了验证,采用计算空气声学解算器对喷嘴产生的流场进行激励,利用声学宽带法和扩散场理论计算声场、得出了声压级与声场之间的关系。第四,基于射流噪声计算模型改进喷嘴结构设计,验证了其在降噪中的作用。通过上述理论及数值模拟研究,实现了满足流量要求的低噪声喷嘴结构。以下是对各章节的总结:第一章绪论气动噪声是由气体的滚动或物体在气体中的运动产生的,引起空气的振动。随着现代工业技术的发展,气动噪声在空气动力机械中普遍高于机械噪声,具有广泛的冲击性和极大的危害性。射流噪声是最常见的噪声之一,是环境噪声污染的重要来源。大多数工业废气系统,如锅炉和热机的废气,通风和气动设备的管道和阀门,以及飞机和火箭的噪音,都是这种噪音的一部分。由于钢渣处理设备的大量声,如用高压喷嘴吹渣,产生超过120dB的强噪声。因此,有必要对气流噪声的机理和特性进行研究,掌握其发生规律,并利用这些规律有效地控制其发生,从而减少其对人们和环境的干扰和危害。自第二次世界大战开始以来,喷气噪声越来越受到人们的关注。喷气发动机的升级伴随着射流噪声的升级,因此大功率喷气发动机发展的最终问题是降低射流噪声。然而,由于对湍流的认识和研究,以实验方法为主要手段,经过几十年的积累,建立了比较完整的实验理论和大量的实验规律。英国是研究喷气噪声的先驱。最早的研究工作是由M.J.Lighthill在1952和1954出版的皇家学会的两篇文章中总结的。从气体动力学方程出发,根据湍流的特性,推导出气流中的湍流是声发射的来源。射流噪声与注入速度成正比,注入速度减小到一半,声功率可降低到4/1000左右。目前,大功率发动机,具有高旁路比涡扇发动机,也符合抑制噪声的规律。虽然莱特希尔理论取得了巨大的成功,但也带来了一些新的问题。流场和声场基本上是统一的,控制方程是N-S方程,理论可以直接从流动解的方程和场解得到,而准解流和声场的Lathth耳声学理论分为两个步骤,不能回答问题如在流体传输中声与流的相互作用,声能量的基本问题如何产生。从70年代到90年代初,马大猷和中国学者利用实验和理论相结合的方法,对射流噪声,尤其是小空穴注入噪声进行了详细的研究,得到了一些经验公式和结论。例如,射流噪声与压力之间的关系是由流体力学的理论基础导出的,即压力定律、工业设备中的废气、空气室中的压力通常是已知的,并且很容易测量。阻塞射流的出口速度与局部声速相同。但随着噪声室压力的增大和显著增大,因此气室压力参数作为湍流噪声收缩喷嘴的喷射不仅具有实际意义,而且还表达了噪声阻断喷射,进一步计算其声速修正值。这是扩大到外面的冷空气注入的情况。此外,对射流噪声和湍流噪声的压力封闭射流、噪声阻断喷射的影响、脉冲射流噪声和稳态射流噪声问题的关系也做了大量的研究,这些公式和结论具有很大的指导性研究成果被广泛应用。但是,实验研究成本高、周期长、耗时多、受客观条件制约,不能提供完整的物理信息,随着计算机技术和高速计算机的发展,人们逐渐将研究方法和数字作为主要研究方法。模拟实验与实验研究相比较,数值模拟可以为研究者提供所需的数据,可以降低实验研究的成本,为实验提供最佳的实验方案。从长期来看,湍流性质的研究离不开数值模拟。目前,计算航空声学(CAA)已成为航空声学研究的主要方法。CAA(计算气动声学)是用流体力学方程(N-S方程)的数值方法求解的,为了预测流场和声场,声学频谱分布非常广泛,为了准确预测流场的数值模拟WI上的声场。将尽可能接近实际情况,目前只能满足直接数值模拟的直接(数值模拟称为DNS)和大涡模拟(大涡模拟,简称LES)。DNS是没有任何湍流模型的N-S方程的直接数值解,是目前最精确的方法。它的优势在于流场中任何物理量(如速度和压力)的时空演化、涡流的运动学和动力学。由于N-S方程的直接求解,其应用受到多方面的限制。首先,计算域的形状相对简单,边界条件相对简单;第二,计算量大。第二章喷嘴类型及特性喷嘴是一种装置,它具有不同的剖面面积,其目标是将低速转变为高速、高压到低压,并影响其它参数。从根本上讲,它具有将压力能转化为动能的能力,热能也转化为动能,并导致输出处的温度下降,这与产生线性动量的推力有关,参数密度减小,马赫数增大。典型降噪装置通过将排气空气蒸汽分散在较大的位置来降低噪音。这些降噪装置通常提供约20分贝的降噪。注意可插入气动排气口的螺纹端部。降噪装置图像左端的多个孔允许空气均匀分散,从而降低整体噪声水平。一个沉默的气动排气可以被认为是一个空气射流。压缩空气射流产生的噪声与射流速度密切相关。根据射流的安装和应用,可以预期噪声水平在射流速度的第四和第八功率之间变化。对于大多数工业应用而言,射流与障碍物(如机器、工具的表面)相互作用,噪声水平随射流速度而变化。对于超过1.9帕的飞行器来说,由于喷气口的阻塞效应,气流将处于恒定的速度。由于空气的噪声很大程度上取决于射流速度,因此只能通过降低飞机压力来实现边际降噪。喷嘴的面积(其面积)影响产生的噪声,但达不到显著影响的程度。例如,如果喷嘴面积要减半,则应产生3 dB的降噪。在这样的约束下,噪声水平的大幅度降低不能仅由简单的权宜之计来实现,并且需要对射流特性进行一些修改。在安装气动降噪装置时,最重要的考虑因素是所选择的单元对气流的影响。由于背压的发展,对气流的任何显著干扰都会降低压缩空气的工作能力。当将降噪装置装配到动力压力机和压紧制动器的离合器机构上时,这一点尤为重要。气动系统中的背压会导致这些机器的重复冲程,这可能是危险的。背压最常见的来源是消音器的逐渐堵塞。应该指出,迅速膨胀的空气冷却消音器的主体,并促进空气中所含流体的冷凝。如果设备在低环境温度下工作并不断排放空气,冷却效果就变得很重要。在制造业中,降噪装置的结冰很少发生,但如果使用尺寸较小的降噪装置来限制气流并延长放电周期,特别是如果水存在于航空公司或潮湿的环境条件下,则可以预期。这个问题通常很容易解决,如果必要的话,通过使用适配器来增加消音器的尺寸。为了减少噪声,有时可以通过简单地通过管道长度排出废气而不需要消音器来实现足够的降噪。这种方法克服了阻塞消声器的困难,但降噪不太确定。此外,通过排气管通过长度管道可以降低其流速,因此应使用比排气口大一个的适配器和管道作为预防措施。减少气动排气噪声的优选方法是在消音器中布置受控的压降。这通常是通过将合适的扩散材料形成在封套内以覆盖排气口来实现的。所述材料应在其足够大的截面上提供压力梯度,以确保所产生的空气具有降低的速度并随之降低噪声。这种受控压降技术总是限制气流并可以通过增加扩散材料的表面积来抵消,从而使其覆盖的排气口的横截面积是其的许多倍。在火箭喷嘴最简单的情况下,相对运动是通过将质量从一个腔室向后喷出而产生的,而反作用力主要作用在相对的腔室壁上,喷嘴壁的贡献很小。螺旋桨与轴发动机推进一样重要,所以它是喷嘴喷射推进,因为它是在喷嘴中,热能(或任何其他类型的高压能源)转化为排气的动能,及其相关的线性动量产生推力。喷嘴中的流动非常快(因此绝热到第一近似值),并且具有非常小的摩擦损失(因为流动几乎是一维的,除了冲击波形成,并且喷嘴相对较短,具有良好的压力梯度),因此沿喷嘴的等熵模型对初步设计是足够好的。喷嘴被认为是在腔室直径开始减小的地方开始的(顺便说一下,我们假设喷嘴是轴对称的,即具有圆形截面),尽管有时使用矩形截面,即二维喷嘴,特别是对于它们的方向能力的变化。子午喷管形状与一维等熵模型无关,流动仅取决于截面面积比。在航空航天学科内的大多数喷嘴有一个收敛部分,以建立从燃烧的加速加热的废气加速。为了达到最佳性能,发散段的形状可以根据应用而呈轮廓收敛或发散。一些喷气发动机包括一个简单的收敛型喷嘴,它包括一个收敛端下游。当收敛型喷嘴堵塞时,一些膨胀发生在射流尾迹下游。大量的推力使喷气动量产生的附加推力从压力将产生喉咙静压和大气压力之间的不平衡。当高NPRS出口压力大于环境压力,膨胀发生在收敛喷嘴下游,这是低效的。采用窄收敛喷嘴改善了喷嘴外的膨胀,使高速排气,但推力减小,而宽收敛喷嘴给出较低的速度,但产生更高的推力。第三章建模描述为了理解与任何工程问题有关的运动流体的物理性质,重要的是建立在空间和时间上离散点处的流体流动特性的变化(例如压力、温度、速度、密度)之间建立精确的关系。流体控制方程证明了这些流动性质如何通过积分、微分或代数方程相互关联的理论解。下面的三个基本定律称为守恒定律被用来建立流体流动的控制方程。质量不能在流体系统中产生,也不能消失。一个保守的量不能增加或减少,它只能从一个地方移动到另一个地方。用高斯的散度定理将该守恒原理应用于积分形式的控制体积,可以简化为下列方程,它对于所有可压缩或不可压缩、粘性或无粘性的流都是有效的。热力学第一定律被用来导出能量方程。该定律指出,体积内总能量的任何时间变化都是由作用在体积上的力的功率和净热通量所引起的。湍流建模是一个模型的构建和使用来预测湍流的影响。湍流流动具有许多不同尺度的特征相互作用。一种常见的方法是平均流量的控制方程,以便集中于流动的大规模和非波动特征。然而小规模和波动部分的影响必须建模。布辛尼斯克是第一个通过引入涡粘性概念来解决闭合问题的。在1877中,Boussinesq提出了湍流应力与平均流量的关系来封闭方程组。这里应用Boussinesq假设来模拟雷诺兹应力项。在大涡模拟的背景下,湍流建模是指需要根据过滤速度场的特征来参数化亚网格尺度应力。这个领域称为子网格规模模型。基于涡流粘性的闭包不能解释在湍流湍流中观察到的各向同性湍流和涡流粘度的模型不能复制湍流在快速变形极限中的行为,湍流在本质上表现为弹性介质。第四章喷雾噪声的基本原理水射流噪声主要原因在于湍流噪声,在水射流高速流场中,雷诺数很大,因此流动为很强的湍流,产生湍流噪声。而水射流中压力的建立必然有喷嘴截面积收缩的过程,使流速急速增加,压力急剧下降。流动在达到临界雷诺数之前,粘性力的作用比惯性力的作用大,任何可能的扰动都会受到衰减,所以处于层流状态,随着雷诺数的增大,惯性力的作用增大,当雷诺数大于临界值时,层流将转为湍流。雷诺数取决于流体运动粘度和流速。而水射流是高压水流通过细小的喷嘴向外喷射,流速很高,因此基本上都是湍流。射流噪声的机理和气体动力学的一般规律也很重要。本章研究了噪声注入的原因和特点,并在一系列经验公式的基础上,研究了射流噪声的特性和机理。自由射流噪声的总声功率、方向图和远场谱可以近似估计。找出噪声产生的原因,有助于研究噪声控制的方向和措施。气流从喷嘴中高速喷射(在声速和亚音速之间),由此产生的噪声被称为喷射噪声(也称为射流噪声),或射流噪声,如喷气发动机排气噪声和高压容器排气噪声作为射流噪声。当从喷嘴喷出的高速空气射流和周围的静空气强烈混合时,产生喷雾噪声。由于内部静压,喷嘴产生的高速气流远低于周围气体的压力。在高速气流周围有强烈的喷射,大量的气体沿射流方向的一定距离扩散。射流被吸进,射流的体积越来越大,速度减小。但在喷嘴附近,仍存在少量的高速气流,其逐渐收缩,其速度仍保持在喷嘴处的空气速度。一个潜在的核,称为射流。潜核的长度约为喷嘴直径的5倍。在势核附近,高速气流和吸入气体强烈混合,这是一个高度定向的湍流。围绕势核,高速气流与进入的气体混合,这是一个高度定向的湍流。在该区域中,从势核到混合边界的速度梯度很大,并且在空气流之间存在复杂和可变的应力。在涡流的高流速下,压力和流速变化迅速,从而产生强噪声。第五章喷雾噪声流场分析基于湍流声辐射理论中的LaTHEEL的声学类比理论,讨论了射流管内湍流流动引起的湍流边界,利用边界层噪声分析了射流中噪声的主要噪声源。本章以流体力学为手段,以不同湍流模型为研究对象,进行了讨论。高速空气射流是一种主要的工业噪声源。对于需要高推力或高风量的应用,依赖于射流动能耗散的噪声控制方法是不实用的。为了获得所需的推力,可以使用低速的大直径射流来减少耗尽的空气的总动能,从而减少发射的声功率。然而,这种方法会增加压缩空气的消耗。存在一种噪声控制方法,在不增加空气消耗的情况下维持所需的推力是多喷嘴,它使用多个较小的射流代替单个射流。由于较小的射流减小了长度尺度但增加了噪声频率,因此该方法被示出将发射的声功率的一部分移到超声范围内,从而降低可听噪声的声级。本章利用软件ANSYS的工作台设计的喷嘴和FLUENT 15用于分析喷嘴中的流动。收敛喷嘴的流动是用于计算流体动力学来模拟可压缩流动的基准问题之一。本章对CATIA V5设计的基本气动喷嘴进行了调剖,分析了现有喷嘴面积变化的原因。湍流噪声的理论研究基本上是基于LaTyth耳声学比拟方程及其扩展的具有固体边界的Curle方程,其结果主要是量值和定性分析。流体动力噪声的来源可以归因于由流体介质的体积脉动和由内应力决定的四极源所决定的边界界面处的脉冲功率确定的偶极子源。流体中,喷雾噪声的主要激励源是四极源。另一方面,由于光鲍威尔声学相似原理的实质是在等效静态流体介质中代替运动流体的声激励过程,也为模型实验提供了理论依据:在满足相似条件的情况下。流体的动态噪声具有相同的声辐射模型。因此,如果噪声的激发源是相似的,则激励噪声应该具有一些相似性。第六章总结与展望综上所述,射流噪声是最常见的噪声之一,是环境噪声污染的重要来源。研究气流噪声的机理和特性,掌握气流噪声的发生规律,并利用这些规律有效地控制气流噪声的发生,对减少噪声对人们和环境的干扰、危害具有重要意义。本文的主要技术途径是对喷雾噪声的流场进行分析。基于湍流声辐射的理论机理,分析了喷雾噪声产生的原因和机理。主要创新工作在于通过理论分析和数值计算设计喷嘴参数、减小垂直方向上的轴流速度来减小喷射流场。论文主要工作如下:1.综合运用理论分析与数值解算的方法,研究了不同喷嘴结构流场的特点,得到了不同参数下喷流速度场、湍动能及涡量场的分布;2.通过对喷嘴近场声压级分布及远场噪声指向性研究,结合流场的特点及气动声学知识,得到了喷流流场与声场进的关联特性;通过对气流噪声的机理和特性进行研究,设计满足热量传递的条件下较低噪声水平的喷嘴结构,研究结果有助于发挥理论研究对于工程实际的预测指导作用。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O358;TB53

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