（热能工程专业论文）基于声学的优化除灰声场特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 声波除灰技术在电站锅炉中已得到广泛应用，但由于在应用中存在炉内 声场分布理论不完善等问题，不能发挥出其除灰优势。论文针对存在问题， 利用声学分析软件s y s n o i s e ，首先，建立了点声源和管阵列模型模拟声波 除灰，分析了声源频率、声源位置、管间距、管阵列布置方式等因素对于管 阵列表面及周围声场分布特性的影响；然后，根据炉内换热器的实际情况， 设计了5 种不同除灰器布置方式，并通过分析炉内及管阵列表面的声场特性， 得到适当增加除灰器个数、选择变频除灰、补吹等措施从而优化除灰效果的 结论；最后，实验测定了除灰所需声功率大小并验证了变频除灰的优越性。 关键词：声波除灰，管阵列，声场特性，数值模拟 a b s t r a c t s o o ts o n i cc l e a n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e rp l a n tb o i l e r h o w e v e r ，i tc a nn o tp l a yt h ea d v a n t a g ei nt h ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo fe x i s t i n gt h e p r o b l e mt h a ts o u n df i e l dd i s t r i b u t i o nt h e o r yi nt h ef u r n a c e i sn o tp e r f e c ta n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m s ，w i t ht h eu s eo fa c o u s t i ca n a l y s i ss o f t w a r es y s n o i s e ， f i r s t l y ，e s t a b l i s h e sap o i n ts o u n ds o u r c ea n dt h et u b ea r r a ym o d e l ，a n a l y s i so ft h e i n f e c tt ot h es o u n df i e l dd i s t r i b u t i o no ft u b es u r f a c ea n dt h es u r r o u n d i n gi n d u c e d b yt h ef a c t o r ss u c ha sf r e q u e n c ya n dl o c a t i o no fs o u n ds o u r c e ，t u b ep i t c h ； s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lh e a te x c h a n g e r s ，d e s i g n s5a r r a n g e m e n to fs o o t b l o w e r s ，a n dt h r o u g ha n a l y s i so ft h es o u n df i e l dd i s t r i b u t i o n ，g e t st h ec o n c l u s i o n s t h a ti no r d e rt oo p t i m i z et h ee f f e c t i v e n e s so fs o o tc l e a n i n g ，i n c r e a s e sn u m b e ro f s o o tb l o w e r , u s e sf r e q u e n c y c h a n g i n gs o o tb l o w e r , b l o w i n gu pa n do t h e rm e a s u r e s ； f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tm e a s u r e ss o u n dp o w e rn e e d e da n dv e r i f i e st h es u p e r i o r i t y o ff r e q u e n c y c h a n g i n gs o o tc l e a n i n g k e yw o r d s ：s o n i c f i e l d ， l i um i n g y u a n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a nl i a n s u o s o o tc l e a n i n g ，t u b ea r r a y ，c h a r a c t e r i s t i co fs o u n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 声波除灰技术在电站锅炉中已得到广泛应用，但由于在应用中存在炉内 声场分布理论不完善等问题，不能发挥出其除灰优势。论文针对存在问题， 利用声学分析软件s y s n o i s e ，首先，建立了点声源和管阵列模型模拟声波 除灰，分析了声源频率、声源位置、管间距、管阵列布置方式等因素对于管 阵列表面及周围声场分布特性的影响；然后，根据炉内换热器的实际情况， 设计了5 种不同除灰器布置方式，并通过分析炉内及管阵列表面的声场特性， 得到适当增加除灰器个数、选择变频除灰、补吹等措施从而优化除灰效果的 结论；最后，实验测定了除灰所需声功率大小并验证了变频除灰的优越性。 关键词：声波除灰，管阵列，声场特性，数值模拟 a b s t r a c t s o o ts o n i cc l e a n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e rp l a n tb o i l e r h o w e v e r ，i tc a nn o tp l a yt h ea d v a n t a g ei nt h ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo fe x i s t i n gt h e p r o b l e mt h a ts o u n df i e l dd i s t r i b u t i o nt h e o r yi nt h ef u r n a c e i sn o tp e r f e c ta n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m s ，w i t ht h eu s eo fa c o u s t i ca n a l y s i ss o f t w a r es y s n o i s e ， f i r s t l y ，e s t a b l i s h e sap o i n ts o u n ds o u r c ea n dt h et u b ea r r a ym o d e l ，a n a l y s i so ft h e i n f e c tt ot h es o u n df i e l dd i s t r i b u t i o no ft u b es u r f a c ea n dt h es u r r o u n d i n gi n d u c e d b yt h ef a c t o r ss u c ha sf r e q u e n c ya n dl o c a t i o no fs o u n ds o u r c e ，t u b ep i t c h ； s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lh e a te x c h a n g e r s ，d e s i g n s5a r r a n g e m e n to fs o o t b l o w e r s ，a n dt h r o u g ha n a l y s i so ft h es o u n df i e l dd i s t r i b u t i o n ，g e t st h ec o n c l u s i o n s t h a ti no r d e rt oo p t i m i z et h ee f f e c t i v e n e s so fs o o tc l e a n i n g ，i n c r e a s e sn u m b e ro f s o o tb l o w e r , u s e sf r e q u e n c y c h a n g i n gs o o tb l o w e r , b l o w i n gu pa n do t h e rm e a s u r e s ； f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tm e a s u r e ss o u n dp o w e rn e e d e da n dv e r i f i e st h es u p e r i o r i t y o ff r e q u e n c y c h a n g i n gs o o tc l e a n i n g k e yw o r d s ：s o n i c f i e l d ， l i um i n g y u a n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a nl i a n s u o s o o tc l e a n i n g ，t u b ea r r a y ，c h a r a c t e r i s t i co fs o u n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于声学的优化除灰声场特性 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 割铭旋 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼3 丝迄导师签名：丛 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 燃煤锅炉在运行过程中，经常会出现受热面积灰、结渣等现象。锅炉结渣不仅 会影响锅炉的出力、参数、热效率和吸风机的正常运行，使排烟温度升高；甚至导 致烟道堵塞、焦渣脱落，导致重大的人身和设备事故，严重危及锅炉的安全和经济 运行【卜3 1 。所以，对锅炉各受热面进行定期吹灰、除渣具有重要的意义。 锅炉吹灰技术主要分为传统吹灰方式和新型吹灰方式。传统吹灰方式包括：蒸 汽吹灰、水力吹灰、钢球除灰等，新型吹灰方式包括：声波除灰和爆燃吹灰【4 】。以 蒸汽吹灰为代表的传统吹灰方式，利用介质的冲击力直接吹扫积灰、结渣受热面。 由于受其自身吹灰介质的限制，它们在运行中普遍存在着“除灰范围有限、投资大、 耗能高、使用不便、对锅炉设备有害和环境污染严重 等一些弊端，使得大多数除 灰器不能正常投入使用，吹灰除渣成为影响锅炉运行的一个突出问题，寻求新型的 替代品来解决积灰、结渣问题成为当时的一个迫在眉睫的任务1 5 嗡j 。 1 2 当前国内外声波除灰技术的发展现状 声波除灰最早被提出是在五十年代，声波除灰技术开始发展起来，并应用于集 尘室清灰【9 1 。到七十年代初该项技术的实验工作在欧洲得到发展。瑞典m a t so l s s o n 博士于1 9 6 8 年研制成功第一台声波除灰器，1 9 7 8 年该装置开始进入美、日等国， 并开始在电站与石化锅炉上实验性地被推广应用，并取得了较好的效果【l m l l 】。 八十年代中期到九十年代，我国开始研制适用于电厂的声波除灰器，先后有1 0 多家研究机构、生产企业、公司或代理商，根据我国国情、借鉴国外资料开始研制 从次声到超声多种形式的声除灰设备【l2 1 ，获得批准的相关实用新型专利有2 0 余项， 成功与不成功的用户有几十家。其中几家代表性的产品有：由中科院研究生院应用 技术研究所郑平教授研制的郑平强声吹灰系统，己在河南新火6 7 0 t h 燃煤炉上得到 应用，经改造后收到了良好的清除积灰的效果；由河北江山电机设备有限公司与中 科院声学研究所研制的江山低频声波清灰除焦助燃系统，在包头一热撑8 炉、群7 炉、 邢台发电厂撑7 炉上安装使用，从使用效果来看，省煤器部位清灰效果较好；洛阳万 山集团研制的w s 声波除灰器，在济南黄台电厂1 0 2 0 t h 、广西合山电厂4 1 0 t h 、山 西神头电厂1 6 5 0 t h 炉上得到应用。使用结果表明，声波除灰器与长杆除灰器效果 相当，在对流受熟面管排间距小时，除灰效果显著：由锦州发电厂科技开发公司研 制的旋笛冲击波式次声清灰除渣装置，在锦州发电厂6 7 0 t h 、沙角发电厂6 7 0 讹小 华北电力大学硕十学位论文 炉上得到成功应用。 虽然声波除灰技术在应用中取得了一定的效果，但随着声波除灰技术的不断推 广，相应地也出现了一些问题，如黄浦电厂、广东德胜电厂等，实验了几个月后没 有效果就不了了之了i i 引。出现这种现象，是由于该技术的应用与理论基础相脱节。 没有可靠的理论做指导，声波除灰技术的应用带有一定的盲目性，致使除灰效果不 明显1 1 4 1 。出现的问题有：声波除灰器声压级小，达不到预想的除灰效果；由于除灰 器在炉体上布置不合理，或除灰器声压级与除灰所需声压级不匹配，造成吹损管壁 或炉墙的事故。出现这些问题的主要原因在于t 声波除灰技术是一项实践先于理论 的技术，与之有关的基础性理论研究工作还没有完全展开。究其根本原因，是对锅 炉换热器管阵列中声场的基本理论研究不够，不能确定声波除灰器位于不同安装位 置时，在炉内各处产生的声压与声强，也无法确定采用多大功率和频率，才能达到 清灰的力度，即对声波除灰器在炉内产生的声场分布研究不足，于是导致声波除灰 器无法清除或不能彻底清除管束的积灰和结焦，因而也就不能发挥声波除灰技术的 优势【i 争1 6 】。所以，进行声波除灰时，对锅炉内部声场的进一步研究就成为迫切解决 的问题，本课题正是基于这一情况而提出的。 1 3 本论文的主要研究内容 鉴于当前声波除灰技术存在的问题和声波除灰技术发展的需要，揭示问题的本 质，并考虑到实际问题的复杂性，本课题将采用除实验和理论研究之外的第三种科 学方法数值模拟，对声波除灰理论进行定量研究，进一步通过利用s y s n o i s e 声学分析软件，重点解决制约声波除灰技术应用和发展的根本问题锅炉内部声 场分布理论的不完善，进行以下工作： ( 1 ) 以单、双排管阵列为模型，研究不同点声源频率、点声源位置、管间距 等情况下，管排周围及管壁表面声场的分布特性。 ( 2 ) 以锅炉低温过热器为模型，研究声波除灰时不同声源分布下，炉内空间 和管阵列表面的声场特性，寻求声波除灰时优化除灰效果的措施。 ( 3 ) 实验研究声波除灰所需声功率及所需的合理参数：声功率、声源距离等 的设置。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章声波除灰技术基本理论 2 1 声波除灰的机理 2 1 1 积灰结渣机理 锅炉积灰、结渣是个很复杂的物理化学过程，主要是由煤粉燃烧时煤中矿物成 分发生作用的结果。它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤灰粒子在炉内运动以及 煤灰与管壁间的粘附等复杂过程，至今还没有能定量描述积灰、结渣过程的数学模 型。影响该形成过程的因素很多，包括：燃料中灰分成分；炉内温度场的分布状况： 炉内气流流场的变化情况等【1 7 19 1 。 积灰、结渣过程基本分成两个阶段：开始在管壁上形成灰( 原生层) ，但是随 着其厚度的增加，其表面温度不断升高，若此烟气温度达到使灰处于熔化状态的温 度，则在第一层灰上面形成增长速度很快的沉积物( 第二层灰) ，也就是开始了结 渣过程。形成第二层灰渣后，因渣层发生物理化学变化，致使灰层强度增加。 灰渣沉积的形成过程通过以下几个途径1 2 0 捌】： ( 1 )壁面烟气边界层中飞灰最细微颗粒通过分子扩散、紊流扩散和布朗运动 转移到边界层底层； ( 2 )烟气中气相碱金属硫酸盐、氯化物和氢氧凝结在管壁上； ( 3 ) 比较大的粒子随烟气气流转移进去； ( 4 ) 热、电泳现象造成灰粒沉积； ( 5 ) 飞灰粒子与壁面间的静电现象； ( 6 ) 软化和熔化态的粒子在壁面生成沉积。 2 1 2 声波除灰机理 声波除灰是指通过声波发生器，把高压气流调制成强声波，利用声场能量，清 除和减缓锅炉换热器表面的积灰和结焦。其机理有两方面： 第一、“疲劳作用”。对于已经结焦的焦体，由于声波振荡的反复作用，施于焦 渣或灰粒以拉、压循环变动的载荷，当达到一定的循环应力次数后，渣的结合因疲 劳而被破坏，又由于烟气流的冲刷和烟气中颗粒的撞击而脱落。 第二、“波及”，而不是传统的“触及”或冲击方法。在亚临界状态下( r e 2 x 1 0 5 ) ， 烟气流在管壁周围绕圆柱流动，伴随有边界层的间断并形成旋流区，烟气流中的固 体微粒在不同力的作用下( 主要是附着力与惯性力) ，通过边界层附着在管壁表面。 3 华北电力火学硕士学位论文 管道尾部形成的旋流区使微粒易移向炉墙区，从而促进了黏着物的生成与滋长。声 波除灰器发出的压力波传递的低频脉冲能量抵消或补偿烟气流流过管束时，在背风 面生成寄生涡所消耗的能量，并且周期性地改变管束边界层中的纵向压力梯度。由 于声场能量的作用使炉内整个空间中的空气分子与粉尘颗粒产生振荡，破坏和阻止 粉尘粒子在热交换器表面或粒子之间的结合，使微粒难以在管束表面沉积，处于悬 浮状态，而被烟气或重力带走。从而减轻和消除管束背风面的松散积灰。同时，声 波对黏着层的交变作用力也可以破坏已生成的黏着层。所以，声波除灰另一个重要 功能是可以预防积灰和结焦【2 2 彩】。 2 2 声波除灰的优势 声波除灰由传统除灰的“触及式 变为“波及式”，以波动的形式传递能量， 它所具有的物理性质，如衍射、散射，可以使能量轻而易举到达被清除空间的每一 个角落，使声波除灰具有独有的优势。 ( 1 ) 声波除灰的能量传播优势 蒸汽吹灰器的射流动压按喷射距离的平方成反比衰减，射流动能按喷射距离的 立方成反比衰减。而声波除灰器的交变声压却按传播距离的一次方成反比衰减，声 强按传播距离的平方成反比衰减。所以声波除灰器比蒸汽吹灰器的作用范围大，而 传播损耗要小，其物理原因是：蒸汽吹灰靠蒸汽物质携带能量运动来传递能量，物 质运动过程中必然受到各种阻力耗散能量：而声波除灰是靠炉内气体分子振动，通 过位相或振动状态的改变来传递能量，气体分子本身除在其各自平衡位置附近做弹 性振动外没有移动，能量耗散几乎为零【2 6 1 。声波除灰方式的这一特性决定了其在能 量传播方面优于蒸汽吹灰方式。 ( 2 ) 能量载体的优势 与普通吹灰方式相比，声波除灰最大的优势是利用载热体本身达到除灰效果， 而不必向锅炉本体引入无关的物质，所以从本质上改变了传统的吹灰方式，从而克 服了传统吹灰方法的弊端。相对于蒸汽吹灰，声波除灰法消除了蒸汽对炉内燃烧场 的扰动，避免了因喷入蒸汽而增加烟气湿度，也就减轻了尾部受热面的污染，克服 了蒸汽对受热面的冲刷磨损。 ( 3 ) 声波的助燃作用 研究发现，作为除灰用的声波进入燃烧室后，产生强烈的气流脉动，增大了混 合区的范围，极大地改善了煤粉和空气混合的均匀程度，大幅度地提高了锅炉的燃 烧效率和强度。实验证明，在锅炉中原来需要l s 才能完全燃尽的煤粉颗粒，但在 声波作用下，只需要0 0 8 s 就可以燃尽。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 抗结焦与防止污染 在声波除灰系统中，声波除灰器将蒸汽或压缩空气携带的能量转化为高声强声 波，通过声波的作用力使灰粒子和空气分子产生振荡，破坏和阻止灰粒子在热交换 表面结合，使之处于悬浮流化状态，以便烟气或重力将其带走。在声波的高能量作 用下，粉尘不能在热交换表面积聚，可有效阻止焦渣的生长。同时声波对气流的交 变扰动作用，使受热面的流动边界层发生变化，强化了热传递，提高锅炉热效率【2 7 1 。 另外，声波还对减少污染气体的排放具有一定的作用，数据显示自从美国 m o d e s t o 电厂安装声波除灰器之后，n o x 的排放量减少了1 0 以上，c o 的排放量 也减少了3 0 。分析原因是由于声波对气流的扰动作用，改善了炉内燃烧环境，提 高了煤粉的燃尽性1 2 8 】。 2 3 声波除灰器的应用状况 声波除狄器是以压缩空气或高压蒸汽作为声波的能源，其发声的机制是将高压 气流所携带的直流能量经调制变换为交变的声波能量，利用弹性金属膜片自激振荡 和谐振腔内产生谐振的原理，把压缩空气或高压蒸汽转化成声能送入烟道，以达到 清灰的目的1 2 引。 按发声频率声波除灰器可分为两类：一是低频声波除灰器频率位于2 0 3 0 0 h z 之间，作用半径6 m ；二是次声波除灰器频率位于2 0 h z 以下，作用半径达1 5 1 6 m ， 适用炉膛等大型空间；也有部分高频声波除灰器频率可达1 0 0 0 h z 以上。按气流的 产生及调节方式，可分为旋笛式声波除灰器与气哨式声波除灰器，而气哨式声波除 灰器又分为哈德曼气哨式声波除灰器和圆板气哨式声波除灰器两种。几种不同类型 产品的性能参数和特点的比较见表1 1 。 表1 - 1 国内外声波除灰器的性能参数和特点的比较 国外产品国内产品 种类膜片式旋笛式 哈德曼气哨式 工作频率( h z ) 2 0 左右1 5 左右3 0 8 0 0 左右 温度( ) 1 5 0 一1 0 0 01 5 0 1 6 0 01 5 0 1 6 0 0 介质 空气空气 空气或蒸汽 气源压力( m p a ) 0 4 o 5 50 4 - - 4 ) 5o 3 田6 声功率级( d b ) 1 4 0 - 1 4 5l l o 1 5 01 4 肛1 5 0 用自激振荡和谐振的方 用强迫振荡的方法，把压 利用射流原理，使气 工作原理 法，把压缩空气转变成体激发腔体产生一定 声能，送入烟道 缩空气转变成声能 频率的声波 频率固定，干松灰除尘 频率可调，电机易损，可 频率可调，无旋转机 特点效果明显：不能清除粘 构，少维护，可用于 接灰及焦渣 用于除灰、清焦 除灰、清焦 5 华北电力大学硕士学位论文 2 4 声波除灰技术的声学基础 2 4 1 声压级 频率在2 0 h z 2 0 0 0 0 h z 之间能引起人类产生听觉的机械波，叫做声波；低于此 频率范围，直到10 4 h z 的波，叫做次声波；高于此频率范围，直到5 1 0 8 h z 的波， 叫做超声波。在流体中传播的声波都是纵波。在声音的物理分析中，为了更具体地 表示音量的大小，更方便地进行计算和比较，通常将声压的大小以数量级的形式表 示。由于声振动的能量范围极其广阔，并且当人耳接收到声振动后，主观上产生的 响度感觉并不是正比于强度的绝对值，而是更接近于与强度的对数成正比，基于这 些原因，在声学中普遍使用对数标度来度量声压，称为声压级( s o u n dp r e s s u r e l e v e l ) 。其单位常用d b ( 分贝) 表示。 声压级以符号s p l 表示，其定义为 s p l ；2 0 l o g l 。旦( d b ) p 畸 ( 2 1 ) 式中p 。为待测声压的有效值；p 阿为参考声压。在空气中，参考声压p 阿一般 取为2 l o 巧p a ，这个数值是正常人耳对l k h z 声音刚刚能觉察其存在的声压值，也 就是1 k h z 声音的可昕阈声压。一般讲，低于这一声压值，人耳就再也不能觉察出 声音的存在了，显然该可听阈声压的声压级即为零分 3 0 1 。 2 4 2 声功率和声强 声波的传播过程实际上是声能量的传播过程。声源在单位时间内辐射出的总声 能量成为声功率( s o u n dp o w e r ) ，单位时间内通过垂直于声波传播方向上面积为s 的 平均声能量，称为平均声能量或平均声功率( a v e r a g es o u n dp o w e r ) 。因为声能量 是以声速传播的，所以，平均声功率等于声场中面积为s ，高度为h 的圆柱体内所 包含的平均声功率，即： 形= w h 8( 2 2 ) 声强( s o u n di n t e n s i t y ) 是指在垂直于传播方向上单位面积上通过的平均声能 量流，即： 6 华北电力大学硕士学位论文 ，：丝：锄 s 2 4 3 声波除灰器的声学参数 ( 2 3 ) 目前，用于声波除灰的声源一般是气动式声波，声波除灰的工作频率一般在 2 0 h z 3 0 0 h z 之间，声压级为1 4 0 d b 左右，工作温度约为1 5 0 c 8 5 0 c 。它的发声 机理是高压气流所携带的直流能量经调制变换为交变的声波能量1 3 1 1 。在通常情况 下，声波均可近似为点声源。 点声源向全空间辐射的声压【3 2 】： 尸) ：j 警q o e j ( 耐一b ) 麓jf - - p o q o e j ( 删一h ) 4 f i rr ( 2 4 ) 其中：七一一波数，l m ； - ，声波频率，h z ； 风空气无抚动时的体积质量，k g m 3 ： c o 一一声波传播速度，m s ： 缈圆频率，l s ； g 一一点声源强度，q o = s 。“_ ，s o 为声源表面面积( c m 2 ) ，甜- 为声源表面速 度振幅，m s ； ，- 传播距离，m 。 点声源辐射的声强： ，= 拼丛c oq 0 2 i 删2 ( 2 5 ) 其中：。p ) = 2 j 瓦, ( 焉k 礁矿s i n 8 ) ，表示声源指向特性：当三一。时，i o ( o ) - - * q ，近似点声 源辐射球面波，如图2 一l 所示球面波几何图形。力为声波波长；以为第一类一阶贝 塞尔函数。 7 华北电力大学硕士学何论文 a 一声波发生器：b 一炉壁 图2 - 1 声波除灰器发声示意图 由式( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 可知，声压与振动频率、声源振动速度、声源表面积成正 比：与传播距离成反比；而声强与传播距离的平方成反比。由于声波频率较低，因 此不考虑介质吸收。 2 5 小结 根据课题的研究内容，本章简要介绍了锅炉换热器表面积灰结渣机理和声波除 灰的机理，以及声波除灰器的应用情况和声波除灰技术的优势，并且简要介绍了声 波除灰相关的声学基础理论计算公式。 8 华北电力人学硕士学位论文 第三章声波除灰管阵列声场特性分析 3 1 边界元理论基础 3 1 1 边界元方法概述 工程问题中物理模型的形成，一般有几种不同的描述形式，可以直接表示成偏 微分方程形式，也可以是某个区域上的变分形式，或者归结为边界上某个积分方程 的形式，这些不同的数学形式在理论上是等价的，但在实践中不等价，它们分别成 为有限差分法f d m ( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 、有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 和边界元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ) 。 边界元法有时也称为边界积分方法b i m ( b o u n d a r yi n t e g r a lm e t h o d ) ，或者是 边界积分方程方法b i e m ( b o u n d a r yi n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) ，它的基本思想是基 于格林公式的应用，把一个区域上的积分转化为该区域边界上的积分。对于声辐射 问题的求解，根据分析频率的不同，目前主要有三种方法，即有限元法( f e m ) ， 边界元法( b e m ) ，统计能量分析法s e a ( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ) 。由于有限元 法在求解声场时需要对时间( 瞬态问题) 和空间进行离散，如果要保证计算精度， 采用线性单元时，单元的长度应为分析波长的l 6 1 1 0 ，采用等参单元时，单元的 长度应为分析波长的1 3 1 4 。因此，随着计算频率的升高，单元的密度将大大增 加，计算量也随之急剧增加。所以在实际应用中，由于有限元方法要对计算的空间 进行单元划分，不适合于无界声场的求解。相对来讲，边界元的主要优点有以下3 点： ( 1 ) 将问题的维数降低一维，因此对空间的离散只须在边界上离散化，而不 像有限元法需将整个求解域离散，可大大减少单元。同时，求解声场时不对时间进 行离散，而是对所计算的频率区间进行离散，减少了数据量和计算时间。 ( 2 ) 边界元法是一种半解析数值方法。在求解域内是解析的，具有解析与离 散相结合的特点，因而精度也较高，误差主要来源于边界单元的离散，累积误差小， 便于控制。 ( 3 ) 由于边界元方程自动满足无穷远的边界条件，因此特别适用于无界声场 的求解。同时边界元法只须对边界进行单元剖分，利用函数插值求出边界节点上的 未知值，就可以通过边界上的已知值计算声场内任意点的解析值，这对无界区域上 的问题特别有意义。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2s y s n ois e 的边界元理论基础 在振动一噪声分析软件s y s n o i s e 中，使用边界元法用来求解内部声场和外部 辐射声场【”1 ，如： ( 1 ) 结构的声辐射：确定结构表面或声场中任何一点的频率响应； ( 2 ) 声音的散射：研究位于声场中的钢体和弹性体与声波的相互作用； ( 3 ) 计算声音传递系数和穿过墙壁、管道、消音器等的损失； ( 4 ) 预测耦合模态； ( 5 ) 采用逆算法，由测得的噪声求解模型表面的振动等。 在s y s n o i s e 中，边界元法分为直接边界元( b e md i r e c t ) 和间接边界元法 ( b e mi n d i r e c t ) 。它们的主要区别是b e mi n d i r e c t 流体模型既可以是封闭的空腔， 也可以是不封闭的空腔，而b e md i r e c t 流体模型必须是封闭的空腔。s y s n o i s e 会认为在b e mi n d i r e c t 流体模型的内部和外部都有流体介质存在，因而内外都有声 场，而b e md i r e c t 流体模型要么在边界元内部有流体介质( b e md i r e c ti n t e r i o r 模 型) ，要么在边界元的外部有流体介质( b e md i r e c te x t e r i o r 模型) ，而不是内外都 有流体，也就是说声场只能在边界元的一侧存在。本文模型为边界元的外部有流体 介质，需要分析管阵列管壁外的声场，因此本文采用b e md i r e c te x t e r i o r 模型。 3 1 3 流体中声学边界元法计算声辐射的基本公式 在流固面a 上，存在边界条件【3 4 j ： _ o p ：- j 。t o p v 。 ( 3 一1 ) _ 2月 l 。1 ) 其中：p 指流体模型表面上的节点压力；k 为边界表面的法向速度，彩是圆频率。 在无限远处要满足s u m m e r f i e l d 辐射条件： 嫩悟呐卜 ( 3 - 2 ) 其中：k 为波数。 利用上面两个波动方程，对于单频声场，可转化为h e l m h o l t z 积分方程【3 5 】： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 似掣一叱m p ( ，- ) ，e l z p ( ，) ，a o r i ( 3 3 ) 其中e 、a 、1 分别表示观测点的位置在结构外部、表面上和内部：0 、分别 指观测点和表面上的积分点；g ( 。，) = i e 菩筹岛是自由空间的格林函数， r ( o ，) = f o 一_ i 。 对表面h e l m h o l t z 积分方程进行离散，可得到边界元求解方程： 么( 缈) p = b ( 缈) ( 3 4 ) 式中a 和曰均为影响矩阵。 对系统方程进行求解，可以直接得到流体模型表面上的声压、速度和声强等值。 一旦表面压力已求得，要得到声场中任意一点m 处的声压，外部场压很容易通过 计算下面的表达式得到： 圪= 口7 p + b r 3 2 管阵列边界元模型的建立 ( 3 5 ) 3 2 1 基本假设 为方便建立声压随时间、空间变化的声波方程，对介质及声传播作如下假设1 3 6 】： ( 1 ) 介质为理想流体，不存在粘滞性，声波传播过程中没有能量损耗； ( 2 ) 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止、均匀的，静态压力、密度为常数； ( 3 ) 声波传播过程中，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的； ( 4 ) 介质传播的是小振幅声波，声压远小于媒质静态压强； ( 5 ) 质点的速度远小于声速c n ，媒质的密度增量远小于静止密度。 华j 匕电力人学硕士学位论文 3 22 模型的参数设置 基十以 几点假设，管陴列及卢源校型参数设置如下： ( 1 ) 管阵列尺寸参数为：钢管管数n - 1 2 ，管半径r = 00 2 5 5 m ，管长l - 2 m 。 ( 2 ) 安装在锅炉壁面的声波除荻器可以视为单极点声源。兰j 低频声波的频率 取3 0 0 h z 时，其波长约为11 m ：取2 0 h z 时，波长是1 72 m 。当声源尺寸取值不超 过02 m 时，上述声波的波长远人十声螈尺、h 完全，玎以将声波发生器当做点声源 米处理。汁算频率取除钗器的工作频率范围2 0 3 0 0 h z 。 ( 3 ) 铡管和管外流体材料宁气的特性阻抗值的确定，依据阻抗计算公式 z ，= 4 ，束确定i 卅计算数值见表3 1 ： 表3 1 不锈钢和空气的声学参数 材料温度t ( c 1密度p ( k g h n j 纵波波速c f m s 1声阻机z ，( k g m ! - s 1 不锈钢 7 9 ( 1 0 57 9 045 7 1 0 7 空气 4 6 1 0 7 3 23 模型网格的划分 管阵列模型在有限元分析软件a n s y s 建模环境中建立，选用s h e l l 6 3 四竹点壳 体中元模拟钢管。遵循s y s n o i s e 的m 格计算要求：最大单元的边长要小于计算频 率最短波长的l 6 ，即每波长长度至少包含有六个单元，故单元长度取o0 3 m ，单 排管阵列模型共划分单元6 4 3 2 个。通过a n s y s 的c d w r i t e 命令，输出s y s n o i s e 能读取的边界元模型文件导入到s y s n o i s e 中建立边界元模型并进行计算。点声 源和管阵列边界元网格模型的正面和俯视图见图3 一l 所示，为便于说明，考虑到模 型的对称性文中将坐标沿y 方向的管束分别标识为1 6 号管，即上边管为1 号管。 o 图s1 管阵列边界元网格模型一一 华北电力大学硕士学位论文 3 3 点声源及管排参数对于管阵列声场特性的影响 3 3 1 点声源频率对于管阵列声场特性的影响 声波除灰器在实际工作中的工作频率范围在2 0 3 0 0 h z 之间，在如此宽的范围 内如何选择除灰器的工作频率使管壁表面声压达到最高值，从而达到最好的除灰效 果是本小节讨论的问题。以管间距为0 1 0 2 m 的单排管阵列为模型，计算在2 0 3 0 0 h z 频率范围、距离管排0 1 m 远的点源辐射作用下，管壁上某点声压值随点源频率变 化的频响曲线，从而讨论最佳的声波除灰频率。研究管壁面的声场其迎风点和背风 点是具有代表性的两点，所以在讨论声波除灰的最佳吹灰频率时，论文分别选取管 中心及管两端的迎风点和背风点作为研究对象。 3 3 1 1 管中心迎风面频晌曲线 2 号管管中心迎风面频响曲线 ( e ) 5 号管管中心迎风面频响曲线 ( f ) 6 号管管中心迎风面频响曲线 图3 2l 6 号管管中心迎风面频响曲线 1 3 华北电力大学硕士学位论文 上面6 幅图按( a ) ( f ) 的顺序分别为1 6 号管管中心迎风面频响曲线，分析各 根管迎风面管中心声压大小随频率变化规律如下： ( 1 ) 图( a ) 中1 号管中心声压随点源频率变化呈现明显的波动性，存在两个拐 点，在2 0 h z 8 0 h z 频率之间管表面声压随着频率的升高而降低，频率为8 0 h z - 15 6 h z 时管表面声压随着频率的升高而升高，声压级达到所在频率区间内取得的最大峰 值，之后便开始随频率的升高而下降； ( 2 ) 图( b ) 中的2 号管中心声压随点源频率变化仍呈现一定的波动性，从7 0 h z 这个拐点频率开始，声压总体变化趋势是随频率的增大而上升； ( 3 ) 图( c ) ( f ) 所示的3 - 6 号管管壁声压变化趋势均随频率升高而增大，但是 曲线的波动性越来越小，到6 号管时曲线变化已经很单调，频响曲线已经越来越接 近一条直线。 综上所述，在点声源的声辐射作用下，在以点声源为中心一定半径的距离范围 内，管阵列迎风面的管壁中心声压随频率而增大；而随着该距离的增加，迎风面管 壁中心声压随频率的变化有了越来越明显的波动性，在除灰器的工作频率期间内， 甚至会出现2 3 个拐点频率。变化的频率总能使得管壁某一点上的声压大小达到该 频率变化区间内的最大值。 3 3 1 2 管中心背风面频晌曲线 ( a ) l 号管管中心背风面频响曲线 ( b ) 2 号管管中心背风面频响曲线 ( c ) 3 号管管中心背风面频响曲线( d ) 4 号管管中心背风面频响曲线 1 4 华北电力人学硕士学位论文 ( e ) 5 号管管中心背风面频响曲线 图3 - 3l 6 号管管中心背风面频响曲线 图( a ) ( e ) 按顺序分别为l 6 号管管中心背风面频响曲线，其各根管背风面管中 心声压大小随频率变化规律与迎风面管中心声压相比，1 、2 、3 号管背风面管壁中 心声压随频率的变化趋势同迎风面的大致相同。其中l 号管在频率区间段存在两个 拐点：7 0 h z 和1 7 8 h z ，在1 7 8 h z 处管壁声压达到最大值，然后随频率升高而降低。 2 、3 号管背风面的频响曲线与迎风面相比，背风面的变化曲线的波动要更明显一些。 5 、6 号管背风面的频晌曲线与迎风面的变化趋势有很大的不同，不再是单一增加的 趋势，而是在拐点频率1 9 5 h z 处声压有一个峰值出现，即对于背风面存在一个最佳 除灰频率，能使管壁该处该频率下声场最强。 3 3 1 3 管两端迎风面频晌曲线 ( a ) 1 号管管两端迎风面频( b ) 2 号管管两端迎风面频响 ( c ) 4 号管管两端迎风面频 ( d ) 6 号管管两端迎风面频 图3 4l 、2 、4 、6 号管管两端迎风面 1 5 华北电力大学硕士学位论文 图( a ) ( d ) 分别为1 、2 、4 、6 号管管两端的迎风面的声压频响曲线，与迎风面 管壁中心声压相比，l 、2 号管两端的声压频响曲线也呈现出很大的波动性。中心管 6 号管管两端迎风面的声压频响曲线与管中心迎风面的频响曲线不同的是，管中心 迎风面声压在拐点频率1 9 5 h z 处达到峰值，而管两端迎风声压在拐点频率1 6 0 h z 处达到的是工作频率区间段内的最低值。 综合上述频响曲线的变化情况，得知：由丁二声压幅值的波动性，对于不同安装 位置的管子，声波除灰器的除灰能力是不同的。同样的吹灰频率在某根管处声压达 到最大值有可能在另一根管处却是晟小值，而且管壁声压随频率的变化关系没有规 律可循。但是通过f 进分析可以得到结论：如果换热器管束的布置方式和声波除敏 器的位置是确定的，声波除驮器发出的变频声波中必自一个最佳频率使管子壁面的 某一定点的散射声场达到最强，但不同的位置的最佳频率并不相同，所以在可以达 到的极大值范围内，采用变频才可以保证不同的位置可以在不同的时刻达到最大 值。目前应用于电厂锅炉