三噴頭蒸汽水下噴注噪聲試驗(yàn)的問(wèn)題和策略

1、三噴頭蒸汽水下噴注噪聲試驗(yàn)的問(wèn)題和策略利用蒸汽直接加熱給水的加熱方式廣泛應(yīng)用于除氧器、給水加熱器、蓄熱器等動(dòng)力設(shè)備中.蒸汽在水下噴注加熱液體的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲和振動(dòng)，對(duì)設(shè)備、環(huán)境等產(chǎn)生不良影響.一體化除氧器運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽經(jīng)水下再沸騰裝置射入水空間時(shí)，如果再沸騰裝置在噴頭結(jié)構(gòu)及布置等方面設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲并引起除氧器振動(dòng)，對(duì)除氧器安全運(yùn)行及運(yùn)行環(huán)境造成嚴(yán)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(lái)控制噪聲以減輕噪聲帶來(lái)的危害是非常有意義的.1研究現(xiàn)狀上世紀(jì)50年代，Lighthill運(yùn)用聲學(xué)類(lèi)比的方法推導(dǎo)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(chǔ).此后，各國(guó)學(xué)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(duì)在空氣中的氣體噴注噪聲的機(jī)理進(jìn)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(duì)小孔噴注噪聲、高壓阻塞噴注的湍流噪聲、脈動(dòng)噴注噪聲與穩(wěn)態(tài)噴注噪聲的關(guān)系等方面進(jìn)行了研究，并根據(jù)研究成果開(kāi)發(fā)出了小孔消聲器.1990年代中期，馬憲國(guó)等對(duì)蒸汽和汽液兩相流的水下噴注噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guò)冷度對(duì)噴注噪聲影響最為顯著，實(shí)驗(yàn)成果為噴注噪聲的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ).何愛(ài)妮等采用不同結(jié)構(gòu)的噴頭，在不同的水溫和蒸汽流量下進(jìn)行

3、單噴頭試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，蒸汽水下噴注A聲壓級(jí)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(duì)蒸汽水下噴注噪聲所作的研究較少，已有的試驗(yàn)結(jié)果由于蒸汽流量范圍較小、局限于單個(gè)噴頭進(jìn)行試驗(yàn)等原因，在工程應(yīng)用上不能得到普遍適用.因此，有必要對(duì)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(xué)中主要聲輻射源類(lèi)型包括： 進(jìn)入到流體中的非平穩(wěn)質(zhì)量流引起的脈動(dòng)體積聲源； 施加在剛性界面上的非平穩(wěn)力作用下的脈動(dòng)力聲源；與流體動(dòng)力運(yùn)動(dòng)本身有關(guān)的分量（對(duì)于液體，主要是與湍流運(yùn)動(dòng)有關(guān)的湍流聲源）.因此，廣義的Lighthill方程式的左邊是一個(gè)波動(dòng)方程的形式，右邊則是能解釋為聲源的項(xiàng)，

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(dòng)速率；f為作用在單位體積液體上的脈動(dòng)外力；τij為液體應(yīng)力張量.蒸汽水下噴注時(shí)，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(guò)冷液中噴注時(shí)，經(jīng)汽液相變和湍流等復(fù)雜的過(guò)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(guò)程中，由于體積迅速變化，造成強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的體積脈動(dòng)噪聲.此外，高速的蒸汽射入水中與周?chē)退俚乃l(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(dòng)，由此產(chǎn)生湍流噪聲.對(duì)于脈動(dòng)體積聲源，聲壓僅與流體的脈動(dòng)質(zhì)量有關(guān)，因此將式（1

5、）簡(jiǎn)化后可推得式中，PSf為脈動(dòng)體積聲壓；ρl為液體密度；r為汽泡中心至流場(chǎng)中任一點(diǎn)處的徑向距離；t為時(shí)間；R為任意時(shí)刻汽泡半徑.對(duì)于水中一個(gè)孤立球形汽泡，根據(jù)汽液分界面上的熱力學(xué)平衡條件，當(dāng)汽泡穩(wěn)定時(shí)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(duì)于液體中任一自由汽泡，汽泡壁速度Ub為式中，p∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處液體的壓力，該處液體的速度和速度勢(shì)均為零；p0為汽泡形成（脫離噴頭瞬間）時(shí)汽泡內(nèi)的蒸汽壓力；R0為汽泡形成時(shí)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(shí)間的變化關(guān)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(shí)的半徑及液體密度對(duì)聲壓的大小也有影響.噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔徑大?。?duì)汽泡形成時(shí)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?chē)后w之間的溫差等因素之間的關(guān)系.因此，由質(zhì)量流引起的體積脈動(dòng)噪聲源于汽泡破裂時(shí)產(chǎn)生的噪聲，與蒸汽和周?chē)后w之間的溫差、周?chē)后w的溫度及噴頭的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān).對(duì)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(guān).多孔噴注時(shí)，相對(duì)孔間距S/D（S為孔間距）對(duì)噴注A聲壓級(jí)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(kuò)展，最后匯合到一起，形成大的噴注射流，成為一個(gè)匯合聲源，并且使得噴頭開(kāi)孔處周?chē)囊后w溫度迅速升高【7】.3試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)內(nèi)容在實(shí)際應(yīng)用中，除氧器等蒸汽加熱設(shè)備多為多噴頭噴注.由于受試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.試驗(yàn)是以一定壓力的蒸汽在開(kāi)式水箱內(nèi)通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的三噴頭噴注加熱過(guò)冷水進(jìn)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(kāi)孔面朝向水面.水箱內(nèi)初始水位為0.7 m.整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過(guò)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(gè)部分組成.圖1試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of the experimental system試驗(yàn)試件為開(kāi)有多個(gè)小孔的噴頭，共3種結(jié)構(gòu).噴頭管徑均為Φ 76x5 mm，開(kāi)孔總面積相同，小孔布置方式均為錯(cuò)列布置.各噴頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示.表1噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1Structural parameters of ejectors圖2噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2Ejector structure

9、試驗(yàn)過(guò)程中，采用HS6288B型A聲壓級(jí)計(jì)測(cè)量噴注A聲壓級(jí)噪聲（A聲壓級(jí)噪聲與人耳對(duì)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(jí)的PT100鉑電阻和銅-康銅熱電偶測(cè)量.采用精度為 0.2 級(jí)的CECY-160型電容式壓力變送器（測(cè)量范圍00.6 MPa）測(cè)量蒸汽壓力.按蒸汽流量的大小，分別采用精度均為1級(jí)的YF105-AGSC2-CD型（測(cè)量范圍0500 m3-h-1）和YF110-AGSC2-CD型（測(cè)量范圍5001 662 m3-h-1）渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量.各儀表輸出信號(hào)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r(shí)采集并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù).采用3種不同結(jié)構(gòu)的噴頭進(jìn)行三噴頭水

10、下蒸汽噴注噪聲試驗(yàn)，以研究水溫、蒸汽流量、噴頭結(jié)構(gòu)對(duì)噴注噪聲的影響.4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1水溫對(duì)噴注A聲壓級(jí)噪聲的影響圖3（見(jiàn)下頁(yè)）為蒸汽流量Q不同時(shí)不同噴頭的三噴頭試驗(yàn)結(jié)果.從圖中可以看出，隨著水溫升高，A聲壓級(jí)噪聲先逐漸增加，達(dá)到最大值后又迅速下降，當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)噴注噪聲明顯低于水溫較低（低于7080）時(shí)的噴注噪聲.蒸汽流量一定時(shí)，在噴注起始階段，由于蒸汽與過(guò)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(shí)由于凝結(jié)換熱速度快，汽泡潰滅所需的時(shí)間短，產(chǎn)生的噪聲頻率也高，而人耳對(duì)于高頻率的聲音不敏感.所以，水溫較低時(shí)，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(jí)

11、噪聲較低.隨著水溫升高，汽泡潰滅產(chǎn)生的噪聲聲壓開(kāi)始降低，但此時(shí)噪聲的頻率也隨之降低，因此A聲壓級(jí)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(jí)噪聲會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值.隨著水溫進(jìn)一步升高，汽泡潰滅產(chǎn)生的噪聲聲壓和頻率進(jìn)一步降低，噴注噪聲中的低頻噪聲比重增加，使得A聲壓級(jí)噪聲下降.當(dāng)水溫接近飽和溫度時(shí)，汽泡基本不再破裂，而是直接逸出水面，此時(shí)由汽泡潰滅引起的噪聲很小.圖3蒸汽流量Q不同時(shí)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(duì)比文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)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(gè)噴頭蒸汽流量相同、加熱相同容積的過(guò)冷水情況下，由于三噴頭擾動(dòng)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(shuō)明蒸汽水下噴注噪聲的大小受到噴頭個(gè)數(shù)的影響.因此，三噴頭噴注噪聲試驗(yàn)?zāi)芨玫胤从硨?shí)際應(yīng)用情況.4.2蒸汽流量對(duì)噴注A聲壓級(jí)噪聲的影響當(dāng)噴頭結(jié)構(gòu)一定時(shí)，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(shí)，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(shí)噪聲主要由汽泡體積變化所致，產(chǎn)生的聲壓

13、級(jí)較?。浑S著蒸汽流量增加，即噴注速度增大時(shí)，湍流強(qiáng)度高，速度剪切和湍流混合的作用加強(qiáng)，同時(shí)汽泡體積變化產(chǎn)生的噪聲也增加，因此聲壓級(jí)較高.4.3噴頭結(jié)構(gòu)對(duì)噴注A聲壓級(jí)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(duì)孔間距噴頭和相同相對(duì)孔間距、不同孔徑噴頭的試驗(yàn)結(jié)果.從圖4可以看出，孔徑相同時(shí)，相對(duì)孔間距小則噴注噪聲低.蒸汽流量較小時(shí)，水溫低于80時(shí)，相對(duì)孔間距較小者與相對(duì)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(shí)，相對(duì)孔間距較小者與相對(duì)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(shí)，相對(duì)孔間距較小者與相對(duì)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(shí)，噴注噪聲最大值對(duì)應(yīng)的水溫逐漸提高.多個(gè)小孔同時(shí)噴注，相對(duì)孔間距小則各小孔噴注射流在噴口附近很快匯合成一個(gè)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(shí)相對(duì)間距小的噴注噪聲要低于相對(duì)間距較大者的；隨著水溫的升高，潰滅噪聲逐漸減小，此時(shí)以湍流噪聲為主，故相對(duì)孔間距較小者與相對(duì)孔間距較大者的噴注噪聲在水溫高于7080時(shí)相差較小.圖4相對(duì)孔間距對(duì)噪聲的影響Fig.4Effect of S/D on noise圖5S/D相同時(shí)

15、孔徑對(duì)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(duì)孔間距相同時(shí)，小孔徑噴注噪聲低于大孔徑噴注噪聲.蒸汽流量較小時(shí)，小孔徑和大孔徑的噴注噪聲最大值所對(duì)應(yīng)的水溫基本一致；水溫為6080時(shí)，兩者噴注噪聲相差較大，最大可達(dá)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(duì)應(yīng)的水溫高于流量較小時(shí)；水溫低于70時(shí)，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(shí)出現(xiàn)；在水溫低于7080時(shí)，小孔徑與大孔徑的噴注噪聲相差較大，最大可達(dá)6.3 dB.噴

16、頭開(kāi)孔面積相同條件下，孔徑小則孔數(shù)多，相對(duì)孔間距相同，實(shí)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(jié)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(jié)論通過(guò)試驗(yàn)及結(jié)果分析，可以得出三噴頭噴注A聲壓級(jí)噪聲規(guī)律的結(jié)論如下：（1） 不同結(jié)構(gòu)的噴頭在不同的蒸汽流量下，水溫對(duì)噴注A聲壓級(jí)噪聲的影響規(guī)律類(lèi)似且明顯.噴注A聲壓級(jí)噪聲隨著水溫的升高是逐漸增加的，當(dāng)水溫升高到一定值時(shí)噴注A聲壓級(jí)噪聲達(dá)到最大值，之后隨著水溫進(jìn)一步升高，A聲壓級(jí)噪聲則開(kāi)始迅速下降，水溫接近飽和溫度時(shí)的A聲壓級(jí)噪聲值最小.（2） 蒸汽流量或者蒸汽流速對(duì)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(jí)噪聲增大.（3） 噴頭孔徑相同時(shí)，噴頭相對(duì)孔間距越小則噴注A聲壓級(jí)噪聲越?。幌鄬?duì)孔間距相同情況下，噴頭孔徑越小則噴注A聲壓級(jí)噪聲越小.參考文獻(xiàn)：【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(xué)學(xué)報(bào)，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(guó)科學(xué)，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(xué)學(xué)報(bào)，1979，14（3）：176-181.【5】豐樂(lè)平，馬大猷.脈動(dòng)噴注噪聲與穩(wěn)態(tài)噴注噪聲的關(guān)系.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1990，15（5）：378-383.【6】馬憲國(guó)，趙在三，陳之航.疏水進(jìn)入除氧器水箱噴注噪聲的實(shí)驗(yàn)研究.華東工業(yè)大學(xué)