СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015
СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
/ стенд размещен в непроизводственном цехе с усиленным собственным фундаментом;
У фундамент испытательного участка установлен на низкочастотных амортизаторах;
У электровентиляторы имеют малошумное исполнение;
/ все трубопроводы изготовлены из толстостенных труб и покрыты вибродемпфирующей мастикой;
У в напорном и отводном трубопроводах установлены угловые и прямоточные глушители воздушного шума;
В настоящее время к снижению уровня шума при работе запорно-регулирующей арматуры предъявляются все новые требования . Для предварительного моделирования используют численные расчеты. Хорошо развиты сеточные методы моделирования турбулентных течений, для моделирования которых используются подходы, основанные на нестационарных уравнениях Навье-Стокса осредненных по Рейнольдсу URANS с различными моделями замыкания. Другой подход — это метод крупных вихрей LES. Метод URANS не позволяет изучать мелкомасштабные пульсации, но дает возможность рассчитывать крупные вихревые структуры, а LES подход позволяет, но требует большие расчетные сетки.
При нестационарном движении вязкой жидкости образуются вихри, которые приводят к турбулентности. Пульсации давления в гидроакустике (гидродинамический шум) можно разделить на несколько типов [1—3]:
• кавитационный шум — шум от колебаний раздела поверхности жидкой и газообразной фазы (при наличии эффекта кавитации в потоке);
• вихревой шум — пульсации давления, образовавшиеся из-за изменения скорости потока (крупномасштабные вихри);
У в напорном и отводном трубопроводах установлены акустические ёмкости, внутри которых размещены звукорассеивающие элементы. Снаружи ёмкости покрыты вибродемпфирующей мастикой;
У шумозаглушённое помещение испытательного участка и помещение воздухоподготовки имеют кирпичные стены, облицованные снаружи звукоизолирующими, а изнутри звукопоглощающими панелями;
У для контроля скорости потока используется ультразвуковой расходомер с врезными датчиками, не вносящими искажений в поток;
• турбулентный шум — пульсации давления, образовавшиеся из-за турбулентности.
Таким образом, гидродинамический шум — не акустический шум в привычном понимании (когда пульсации давления малы и распространяются за счет свойств сжимаемости среды), а пульсации давления из-за крупных вихрей и турбулентных пульсаций [4—6].
В работе, которой посвящена данная статья, использовался URANS подход, и на его основе сделана попытка оценить области генерации шума с оценкой спектров крупномасштабных пульсаций. В первой части описана задача и методы исследования, во второй — анализ гидродинамического поля и оценка шумового поля.
Расчет проточной части кингстона. Рассматривается нестационарное течение в проточной части кингстона при заданных скоростях потока. Схема расчетной области приведена на рис. 1. Поток воды поступает по трубе во входную часть (большего диаметра), обтекает тарелку, удерживаемую на штоке (для увеличения жесткости штока введена дополнительная опора), затем поток поворачивает и поступает в выходную трубу. В процессе тече-
У на время испытаний всё неза-действованное при испытаниях цеховое оборудование отключается.
Таким образом, в ОАО «ПО «Севмаш» создан уникальный, единственный в России стенд, позволяющий проводить испытания всей номенклатуры арматуры вентиляции и кондиционирования воздуха на соответствие требованиям по ВШХ, аэродинамическим и акустическим сопротивлениям; достигнуты отличные характеристики по собственному шуму стенда; появилась возможность привлечения заказов на испытания от сторонних организаций.
ния с тарелки, штока и дополнительной опоры срываются вихри различной интенсивности и частоты. Поэтому на выходе поток является существенно нестационарным и возмущения передаются вверх по потоку в выходную трубу. На входе и выходе добавлены трубы с длинами 1,8 м и 1,6 м соответственно. Все параметры, связанные со входным участком, будем обозначать индексом 1 или индексом in, а связанные с выходным — 2 или out. Диаметр входной трубы d1 = 355 мм, а выходной d2 = 200 мм. Поэтому соотношение скоростей, осредненных по расходу во входном и выходном сечении, имеет вид:
V2 = (d/d2)2V1 = 3,15V, .
Расчет проводился с помощью программного пакета ANSYS Fluent. Он реализует метод контрольного объема для решения системы уравнений движения вязкой турбулентной несжимаемой жидкости одним из методов коррекции давления SIMPLE. Для метода контрольного объема необходимо генерировать конечно-элементную сетку, разбивающую всю расчетную область на
Рис. 1. Схема расчетной области
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КИНГСТОНА И ОЦЕНКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
А. А Савченков, М. В. Тепляшин (АО «ЦТСС»/КБ «Армас», e-mail: inbox@aatc.spb.ru), А. Г. Карпенко, канд. техн. наук
(СПбГУ) УДК 519.6.-72/-73:534-143
СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНА
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2015
малые объемы, значение гидродинамических параметров в которых принимается постоянным или распределенным по линейному закону. Для построения конечно-элементной сетки использовался программный пакет ICEM CFD.
Поверхностная сетка представлена на рис. 2. Сетка является гибридной. В подводящей и выходной трубе построена регулярная сетка с шестигранными ячейками (hexa, o-type). В области тарелки, балки и штока нет возможности для построения регулярной сетки. В этой области — сетка из тетраэдров (tetra mesh). Во входной трубе и в области тарелки (как и выходная труба) сетки не являются сопряженными, поэтому в расчете происходит интерполирование значений с одной сетки на другую, в программе этот механизм реализуется с помощью функции interface. Для расчета пограничного слоя необходимо выполнить сгущение к стенкам. В hexa сетках это выполняется явным заданием параметров сгущения, а в tetra — путем построения призматического слоя с нужными параметрами около стенки (prism algoritm). Сетка состоит из 7,7 млн смешанных элементов.
Расчет проводился в нестационарной постановке методом SIMPLE, шаг по времени выбирался dt = 0,001 сек. Модель турбулентности выбиралась двух параметрическая k-w SST. Расчет проходил в параллельном режиме на 6-ядерном процессоре. Расчет занимал 10 Гб оперативной памяти, время расчета одного шага по времени — около 15 с. На входной границе в трубу задава-
Рис. 2. Поверхностная сетка
лась скорость потока такая, чтобы в выходной трубе обеспечить средне-массовую скорость У2 = 2 м/с, по формуле V, = 0,6348 м/с. На выходной границе задавалось давление равное 0 (избыточное). Для расчета турбулентных течений важным является задание граничных условий для параметров турбулентности. Интенсивностью турбулентности называют отношение среднеквадратичного значения турбулентных пульсаций к средней скорости потока:
I = (и')/й.
Для труб с полностью развитой турбулентностью можно применить следующее эмпирическое соотношение:
I = 0,16 (Кес)"(,/8).
Для данного случая во входной части I = 0,0343 (3,43%), в выходной I = 0,0319. Размер турбулентности — размер наибольших вихрей, которые содержат в себе энергию турбулентных пульсаций. Для труб:
I. = 0,070.
Граничные условия для параметров турбулентности задаются набором пары чисел — интенсивностью и диаметром трубы. На стенках выставлялось условие прилипания, и задавалась шероховатость для чугуна delta = 0,1 мм.
Расчет осуществлялся стационарным методом из начального состояния, когда среда покоится. Затем схема переключалась на нестационарный расчет, просчитывалось 5 с физического времени, затем включалась запись пульсаций давления в контрольных точках. Запись пульсаций проводилась с интервалом dt = 0,001 с, в течении 30 с физического времени. Общее время расчета составило около шести суток.
Результаты расчета. Нестационарный расчет течения в канале кингстона позволяет визуализировать различные поля параметров. На рис. 3 представлено распределение избыточного давления в средней плоскости.
Видно, что наибольшее падение давления происходит на участке «тарелка-седло». Потери полного давления в кингстоне можно рассчитать и они составляют dp0 =11 097,67 Па между входом и выходом из кингстона (без учета труб). Зная скорость на входе V1, можно рассчитать коэффициент сопротивления [4]:
z=■
2Аро pV2
поэтому ^ = 55,18.
На рис. 4 приведено векторное поле скорости. Видно, что после про-
Рис. 3. Поле статического давления в плоскости YZ
Рис. 4. Векторное поле скорости
СУДОСТРОЕНИЕ 32015 СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНА
Рис. 5. Линии тока
хождение потоком узкого места «тарелка-седло» скорость потока повышается до 5 м/с и образуется кольцевая струя, которая взаимодействует с дополнительной опорой и штоком. В результате образуются вихри и вихревые зоны, которые пульсируют. Именно эти вихри составляют основную часть гидродинамического шума.
Более подробное представление о вихревой структуре потока может дать распределение линий то-
Существуют и другие вихри, которые тоже могут осуществлять вклад в гидродинамический шум.
Для устранения вихря, который зарождается справа выше балки около штока можно предложить установить в этом месте рассекатель (пластина или утолщающийся снизу вверх профиль в срединной плоскости с размером и положением как у вихря), чтобы поток не закручивался, а плавно поворачивался. Для устранения других вихрей можно по-
рируются алгоритмом SNGR (stochastic noise generation and radiation). Этот подход позволяет качественно оценить, в каких областях происходит генерация турбулентного шума. Из теории известно, что это происходит в областях, где существует сдвиговое течение: пограничных слоях, слоях смешения и вихрях. На рис. 6 приведено распределение полного источникового члена для уравнения Лиллей в срединной плоскости.
Рис. 6. Поле источникового члена
Рис. 7. Давление в точке out400 verh
ка. На рис. 5 приведены линии тока, окрашенные в модуль скорости, начало линий тока лежит на поверхности балки.
Из рис. 5 хорошо видно, что образуются два мощных вихря. Первый — справа от струи (во внешней части при выходе), второй — во внутренней части (справа выше балки) около штока. Эти вихри огибают шток и выходят в выходную трубу.
проб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.