熱風(fēng)爐閥聲振耦合有限元分析

2016-03-12 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

熱風(fēng)爐是鋼鐵冶煉設(shè)備高爐的一個(gè)重要組成部分。熱風(fēng)爐的主要作用是把鼓風(fēng)加熱到要求的溫度,用以提高高爐的效益和效率。但是在冶煉過(guò)程中經(jīng)常要調(diào)節(jié)氣體流量的大小,以配合各種工況下鋼鐵的冶煉。

引言

熱風(fēng)爐是鋼鐵冶煉設(shè)備高爐的一個(gè)重要組成部分。熱風(fēng)爐的主要作用是把鼓風(fēng)加熱到要求的溫度,用以提高高爐的效益和效率。但是在冶煉過(guò)程中經(jīng)常要調(diào)節(jié)氣體流量的大小,以配合各種工況下鋼鐵的冶煉。為了實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)氣流目的,需要用閥或閥組的開(kāi)啟或關(guān)閉。其中閥在啟閉瞬間產(chǎn)生巨大的噪音,而噪聲又已成為威脅人類(lèi)生存的三大公害之一,噪聲對(duì)人們的心理和生理都有嚴(yán)重的影響。故需要對(duì)閥組進(jìn)行聲學(xué)仿真分析,以期能得到閥組的噪音值,從而判定噪聲危害的程度,而該噪聲產(chǎn)生的主要原因是振動(dòng),又由于閥或閥組在此過(guò)程中的使用頻率高,屬于易發(fā)生損壞失效的部件,故對(duì)熱風(fēng)爐閥做聲固耦合分析對(duì)減噪和強(qiáng)度校核有著重要的實(shí)際意義。

筆者以某熱風(fēng)爐閥為研究對(duì)象進(jìn)行聲固耦合分析,主要從模態(tài)振型和聲固耦合等方面對(duì)閥體和閥周?chē)鷧^(qū)域流體進(jìn)行分析。重點(diǎn)計(jì)算了閥體及閥體周?chē)穆晥?chǎng),得到了閥體周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)噪音值,以期通過(guò)改變結(jié)構(gòu)以達(dá)到減噪的效果,并期望此計(jì)算結(jié)果能對(duì)熱風(fēng)爐閥減噪有一定的參考意義。

1 聲振耦合有限元分析理論基礎(chǔ)

1.1 聲學(xué)Helmholtz波動(dòng)方程

解決聲學(xué)外聲場(chǎng)問(wèn)題的最終目的就是要求解某個(gè)特定問(wèn)題的Helmholtz(人名:亥姆霍茲)波動(dòng)方程的解,而聲學(xué)Helmholtz方程是結(jié)合了聲波的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和物態(tài)方程推導(dǎo)得來(lái)的。

(1)

式(1)中:k=2πf/c為波數(shù);ω=2πf為角頻率;f為頻率;λ為對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng);為拉普拉斯算子;為聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度;p(x,y,z)=p0(x,y,z)+p′(x,y,z)為流體的聲壓;p0(x,y,z)為初始位置流體聲壓;ρ(x,y,z)=ρ0(x,y,z)+ρ′(x,y,z)為流體的密度;ρ0(x,y,z)為靜態(tài)聲壓;q(x,y,z)=q0(x,y,z)+q′(x,y,z)為附加質(zhì)量;q0(x,y,z)為初始質(zhì)量。

1.2 耦合聲學(xué)有限元方程

聲音作用于結(jié)構(gòu)上的聲壓載荷可以看作是附加的法線載荷,可得到動(dòng)力學(xué)方程如下:

(Ks+jωCs-ω2Ms)·{ui}+Kc{pi}={Fsi} (2)

在流體和結(jié)構(gòu)耦合的位置處,結(jié)構(gòu)法線方向的振動(dòng)速度與流體法線方向的振動(dòng)速度相同,在流固耦合交界面處,結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度可以看作是聲音的附加速度輸入,這時(shí)聲學(xué)方程變化為如下方程(3)所示:

(Ka+jωCa-ω2Ma)·{pi}-ω2Mc{ui}={Fai} (3)

將方程(2)、(3)寫(xiě)成一個(gè)矩陣的形式,并進(jìn)行耦合處理,得到耦合聲學(xué)方程:

(4)

式(4)中:Ks為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上沒(méi)有受到約束部分的剛度矩陣;Ka為模態(tài)中聲學(xué)剛度矩形;Ms為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上沒(méi)有受到約束部分的質(zhì)量矩陣;Ma為模態(tài)中聲學(xué)質(zhì)量矩形;Cs為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上沒(méi)有受到約束部分的阻尼矩陣;Ca為模態(tài)中聲學(xué)阻尼矩形.ρ0為靜態(tài)聲壓;為激勵(lì)荷載;ω=2πf為角頻率;{pi}為壓力矩陣;為聲學(xué)激勵(lì);{ui}為固體位移矩陣;ω=2πf為角頻率。

2 微穿孔板消聲閥體聲場(chǎng)計(jì)算

2.1 工程閥體概述

圖1所示即為某熱風(fēng)爐管道的一個(gè)閥體,當(dāng)氣態(tài)流體從左端入口流入,隨活塞推移而經(jīng)穿孔柱板流入腔體,該過(guò)程中噪音主要源自氣體流動(dòng)時(shí)對(duì)固體管壁產(chǎn)生沖擊而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪音和氣體湍流振動(dòng)的氣動(dòng)噪音。該閥結(jié)構(gòu)是依據(jù)小孔噴流消音機(jī)理,小孔噴注消音的設(shè)計(jì)機(jī)理是根據(jù)科學(xué)院聲學(xué)研究所馬大猷教授等人提出的小孔噴,注噪聲極其控制理論,從發(fā)聲機(jī)理上使它的干擾噪聲減少,由于噴注噪聲峰值頻率與噴口直徑成反比,若噴口直徑變小,噴口輻射的噪聲能量將從低頻移向高頻,于是低頻噪聲被降低,高頻噪聲反而增高。經(jīng)試驗(yàn)表明,當(dāng)孔徑d≤4mm時(shí),人耳能聽(tīng)到的低頻噪音能被降低,以達(dá)到減噪的作用;同時(shí)若在中間部分加入一個(gè)活塞來(lái)回的滑動(dòng),以達(dá)到控制流量的效果,故該閥體兼有消音減壓的效果。

故選用孔徑為4mm的穿孔板焊接在熱風(fēng)爐管道中,左端是管道入口,右端是管道出口,中間部分為帶孔柱板,氣體經(jīng)左端通過(guò)柱板再進(jìn)入大容積腔體,最后再通過(guò)管道出口流出,整個(gè)過(guò)程既實(shí)現(xiàn)了閥體減壓的效果,也實(shí)現(xiàn)了減噪的效果。

2.2 有限元計(jì)算

2.2.1 建立幾何模型

建立如圖2所示的帶孔柱板,其具體尺寸為內(nèi)徑150mm,外徑160mm,底板厚度為10mm,然后再在其外圍建立一個(gè)半徑為200mm的實(shí)心圓柱體,將實(shí)心圓柱體減去帶孔柱板,得到如圖3的實(shí)體流體模型。再在外部建立一個(gè)半徑為600mm的球形區(qū)域用來(lái)模擬周?chē)穆晥?chǎng),也即是周?chē)牧黧w。結(jié)構(gòu)模型如圖4所示,其模型透視如圖5所示。

2.2.2 建立有限元模型

對(duì)于三維聲學(xué)問(wèn)題,ANSYS(有限元分析軟件)聲場(chǎng)分析指定了兩種單元類(lèi)型:三維模型的流體部分分別使用Fluid30(ANSYS軟件中的一種單元)單元和Fluid130(ANSYS軟件中的另一種流體單元),且Fluid130單元必須和Fluid30一起使用,用來(lái)構(gòu)造包圍Fluid30單元的無(wú)限外殼。利用兩種單元類(lèi)型可以構(gòu)造流體部分的模型,然后利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元Solid185構(gòu)造固體模型。只有Fluid30單元才能與結(jié)構(gòu)單元相接觸;Fluid130單元只能與Fluid30單元相接觸,而不能直接與結(jié)構(gòu)單元接觸.由于ANSYS的以上功能,故分別選用Solid185單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)模型,選用Fluid30來(lái)模擬與固體接觸的流體部分,選用Fluid130單元用來(lái)構(gòu)造無(wú)限外殼。

結(jié)構(gòu)模型采用普通低碳鋼制作,其材料屬性分別為彈性模型Ex為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.85×10-9t/mm3,流體模型需要定義速度和密度,速度為3.44×105mm/s,密度為1.21×10-12t/mm3,無(wú)限外殼的聲速為2×103mm/s。

由于柱板有很多小孔,若是不作處理自由劃分網(wǎng)格,小孔邊緣位置網(wǎng)格質(zhì)量很差,若是要保證小孔邊緣的網(wǎng)格質(zhì)量,又導(dǎo)致整個(gè)柱板的單元數(shù)過(guò)多而加大計(jì)算負(fù)擔(dān)甚至無(wú)法計(jì)算。故采用Solid185單元對(duì)柱板上小孔進(jìn)行切分之后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分,切分之后的柱板結(jié)構(gòu)如圖6所示,切分之后對(duì)柱板兩端和底板進(jìn)行掃掠劃分,然后對(duì)有小孔的中間柱板部分采用智能劃分,劃分網(wǎng)格之后的網(wǎng)格如圖7所示。對(duì)中間部分的流體采用Fluid30單元智能方式劃分,劃分之后的網(wǎng)格如圖8所示,中間網(wǎng)格局部視圖如圖9所示。對(duì)外圍球體部分采用Fluid30單元自由劃分,單元尺寸設(shè)置為40mm,劃分網(wǎng)格圖如圖10所示。

2.2.3 加載與求解

劃分網(wǎng)格后,由于流體和固體是兩個(gè)單獨(dú)的部分,只有通過(guò)耦合才能使流體和固體進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算,故在流體和固體交界面處定義流固耦合面,即FSI(流固耦合)如圖11和圖12所示。然后在柱板入口處施加0.25MPa的入口壓力。再在無(wú)限外殼面定義吸聲屬性,此處吸聲屬性定義為1,即全吸聲屬性,如圖13所示。最后設(shè)置計(jì)算參數(shù)并計(jì)算,設(shè)置步長(zhǎng)為20,范圍從500至1000。

3聲場(chǎng)分析與結(jié)論

隨著人們對(duì)其所居住環(huán)境越來(lái)越重視,環(huán)保部門(mén)開(kāi)始慢慢地關(guān)注和管制噪音的危害,而且出臺(tái)了相關(guān)限制噪音的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。工業(yè)企業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大噪音值為90dB,實(shí)際普通熱風(fēng)爐閥在啟閉時(shí)產(chǎn)生的噪音高達(dá)120dB,嚴(yán)重地污染了周?chē)沫h(huán)境。對(duì)該有限元模型求解計(jì)算成功后通過(guò)后處理,得到如圖14所示聲壓級(jí)云圖,從該圖中可看出最大的聲壓級(jí)值為79.2dB。由此可知采用該新型減壓閥能從模擬仿真方面得到的噪音值滿(mǎn)足相關(guān)法律法規(guī)所要求控制的噪音范圍,可推知小孔噴注是一種行之有效的減噪方法,但必須要選用合理的小孔孔徑及排列方式。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某熱風(fēng)爐系統(tǒng)中閥做聲振耦合有限元計(jì)算,并分析聲場(chǎng)結(jié)果,最后可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

a.進(jìn)一步從模擬仿真角度論證了小孔噴流是減小噪音的有效途徑之一。

b.僅當(dāng)小孔的直徑為4mm左右時(shí),消音減噪的效果較佳。若是孔徑太小,小孔容易被氣體中的雜質(zhì)堵塞,若是孔徑過(guò)大,又不能將高頻噪音濾去,達(dá)不到消音減噪的效果。

c.計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果表明,ANSYS是一款比較實(shí)用的有限元處理軟件,其用戶(hù)界面良好,前、后處理功能強(qiáng)大,計(jì)算精確度高,是求解聲場(chǎng)分布行之有效的有限元處理軟件。

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