惰性粒子流化床干燥器设计及高速列车进入隧道产生的微压波及其控制研究

惰性粒子流化床干燥器设计目录摘要 1Abstract 2第1章绪论 31.1研究背景与意义 31.2课题研究进展 31.2.1工业干燥技术 31.2.2惰性粒子流化床干燥器 71.2.3流化干燥模型 111.2.4干燥器应用及发展趋势 141.3课题的研究重点 18第2章设备传热过程分析与建模研究 192.1引言 192.2传热性能测定 192.2.1装置流程图 192.2.2结果初步分析 202.3建模假设 222.4体积传热系数模型的建立 22第3章结论 26参考文献 27致谢 31数值模拟 由(2.1.26)式可见，压缩波的声压取决于和，前者决定了它的幅值，后者决定了它的形状。取，，根据(2.1.26)式计算得压缩波及其梯度如图2.2.1所示。图2.2.1压缩波及其梯度(时间导数) 从上图可见压缩波有一个上升延，其上升的陡度(梯度)决定了微气压波的幅度大小。2.3讨论取，马赫数从0.1增加到0.4，得压缩波及其梯度与马赫数的关系如图2.3.1所示。图2.3.1压缩波及其梯度与马赫数的关系由此可见，压缩波及其梯度随马赫数的增加而增大。对比图2.3.1与Howe在1998年的数值模拟结果可见两者一致吻合[7]。Howe给出的幅值的经验公式为[7]：(1.2.4) 而由(2.1.27)式及，得压缩波的幅度为：(2.3.1) 可见两种计算方法得出的结果相同。第三章微压波有源控制第三章 微压波有源控制3.1有源控制的引入 根据微气压波的产生过程，提出两种有源控制方法：(1)间接控制——通过控制压缩波来控制微气压波，即通过降低微气压波的陡度来减小与之成正比的微气压波；(2)直接控制——直接在隧道出口控制微气压波。 对于间接控制，通过在原声场的声源处设置一符号相反的声源，降低压缩波的幅值，从而降低其上升的陡度，减小微气压波。控制声源通过在列车头处设置一可以不停地吸进或释放空气的压缩空气包(或空气泵)来实现，它使列车头前的空气产生一个反向速度，从而减小源强，降低压缩波的幅值。 加入控制源后，声波方程变为：(3.1.1 其中为控制源的质量流率，假设压缩包的有效工作面积等于列车的横截面积，则，其中为压缩空气包产生的反向运动速度。 引入控制源后压缩波的声压及其梯度与原始压缩波的声压及其梯度之间满足：(3.1.2(3.1.3) 其中。 对于直接控制，可在隧道出口，放置大型扬声器，产生如图3.1.1所示的脉冲波，相位和原来脉冲相反，扬声器应能发声在次声频段，频段如图3.1.2所示，可采用前馈或者反馈控制。前馈控制利用隧道里采集到的压缩波形来预测出口处的微压波，从而实现控制；反馈控制通过实时反馈采集到的信号驱动扬声器进行控制。由于所要控制频率很低，故反馈控制制也来得及。控制上限是100Hz。图3.1.1微气压波的时域波形[20]图3.1.2微气压波的频域波形[20]3.2数值模拟 对间接控制方法，取，，得ANC控制前后的压缩波及其梯度波形如图3.2.1所示。图3.2.1A 可见，通过强度为的ANC控制，压缩波及其梯度分降低了19%和27%。3.3实验设计实验主要包括三部分：(1)微压波的产生；(2)微压波预测理论的验证和微压波测试；(3)微压波的有源控制。对前两部分的实验，根据南京大学现有的条件，参考Ricco等的模型，采用列车模型法。模型为1/87的缩尺模型，实验研究列车横截面的形状和长度对压缩波的影响[21]。具体实验系统如图3.隧道：长为6m左右的圆柱体结构，直径100mm左右，由厚度5mm以上的多段塑料管道拼接组成。轨道：采用两根直径为2mm的钢丝组成，它们沿隧道轴线分布。列车：列车模型可以为圆形和方形的，圆形的列车直径38mm，长度有300mm或600mm，列车头围锥形，圆锥的轴线和母线的夹角可为30º、60º、90º，车身为塑料的，车头为木质的。方形的列车为铝制的，有同样的长度和横截面积。车轮：在列车头和尾嵌4个聚四氟乙烯导向环(相当于车轮)，这样列车就可以在铁轨上滑动。刹车：尾部的阻尼装置(节气闸)使列车到达隧道出口以后趋于静止，节气闸长2m，宽300mm，高200mm，位于隧道出口外1m处，由两个中心覆盖人造泡沫塑料的木板组成，木板以一定角度成收敛状，形成一渐变的阻抗。驱动：预拉伸装置和发射装置，使列车速度争取150km/h，相当于约41m/s测量：采用多个压力传感器和传声器，可视烟流发生器和图像采集系统。图3.3.1南京大学预建立的实验系统的构成(参考Ricco等的实验装置[21])实验目的：对微压波产生的机理进行详细研究，对缩尺模型进行实验测量，验证理论推导和数值模拟的结果或通过实验数据分析已有理论推导、数值模拟的缺陷之处，为以后的改进提供指导。 实验测量：测量列车在行使过程中不同位置(靠近隧道入口处、隧道中间位置、靠近隧道出口处、隧道出口外)、不同时刻(列车通过之前、列车通过时、列车通过以后)的声压和固体壁面的压力。 分析过程：比较测量得到的声压(或气体压力)和理论推导出的相应点在相应时刻的声压，看两者是否一致。通过实验数据描出测量得到的声压随时间、位置变化的曲线，通过以理论推导为基础的数值模拟得出模型实验情况下声压随时间、位置变化的曲线，看这两条曲线是否重合或相近：若差别较小，可以说明理论推导和数值模拟的正确性；若差别较大，需要找出其原因。对于第三部分，先采用间接控制法，在列车头处设置一可以不停地吸进或释放空气的压缩空气包(或空气泵)，使列车头前的空气产生一个与列车行驶方向相反的速度。调节控制源强，找出微气压波减小的程度与控制源强度的关系，与理论公式作比较。后采用直接控制法，在隧道出口处放置大型低频扬声器，观察其控制效率，找出扬声器的位置、源强与微气压波减小程度的关系，并分析频域上的影响。第四章结束语第四章 结束语本文以声波方程为基础，根据无扰动边界假设，对高速列车在隧道内产生的压缩波进行计算，根据理论结果作了数值模拟，通过与文献中理论和数值模拟结果的对比，显示出了很好的一致性。在此基础上，根据微气压波与压缩波的梯度成正比的性质，提出两种有源控制方法。对间接控制方法，在原声场的声源处设置一符号相反的声源，计算有源控制下的声场，并做数值模拟，结果显示了有源控制的可行性和高效性；对于直接控制方法，提出控制要点和实现方法。最后设计了微压波产生、观测和有源控制实验。传统的控制微气压波的方法主要根据流体力学和气动力学的知识，对隧道和列车作改进，都属于无源控制方法，这些措施在降低微气压波的幅度上都会遇到“瓶颈”，而有源控制在微气压波产生的声源处或最后产生处添加控制源，可控的范围和程度大大拓宽，但对控制细节要求比较精细。本文的主要贡献和创新在于提出了微压波有源控制的两种方法；建立了微压波有源控制系统的模型，并进行了数值模拟；设计了微压波产生、观测和有源控制实验。作为进一步的研究，需要建造系统，做模型实验，然后进行现场测量，最后将理论推导、数值模拟、模型实验、实地测量综合在一起，对其结果作验证、对比与分析。参考文献参考文献[1]C.ShinandW.Park,Numericalstudyofflowcharacteristicsofthehighspeedtrainenteringintoatunnel,MechanicsResearchCommunications

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