摘要：目的：研究具有扩张结构的冷却塔消声器穿孔壁面通道的阻力特性，特别是研究通道的渐扩结构部分。方法：利用三维数值仿真计算和实验验证方法研究其阻力特性；计算中，将穿孔板壁面利用等效粗糙度替代。结果：获得扩张角度分别为０°、８°、１０°工况下消声器内部流场特性，并结合实验对数值仿真结果进行了验证，以及考察了穿孔壁面通道渐扩结构部分中的流动分离情况。结论：在一定范围内用渐扩结构代替传统消声器出口段的突扩结构，对传统冷却塔消声器通道内部结构进行优化设计，合理地选择渐扩段的角度，可以达到降低壁面通道压力损失的效果。
关键词：计量；冷却塔消声器；阻力损失
引言
随着社会的发展和人们环保意识的提高，自然、机械通风冷却塔噪声对环境影响的问题不断被提出，如何降低冷却塔对周围“声环境”的影响成了火电厂建设的首要议题。以下通过厂界各点噪声的实测，冷却塔各声源不同的频谱特性和传播特性分析，确定自然通风冷却塔选用在冷却塔进风口周围设置声屏障降噪，机械通风冷却塔采用在进风口外侧安装进风消声器、在水池设置落水消能装置的降噪措施，使厂界和敏感点均能满足环保要求。
1冷却塔消声器内部通道的数值模拟和实验设计
工程中评价消声器的性能指标主要采用声学性能和空气动力性能，也即在所需频率范围内消声器需要吸收的消声量越大越好，同时消声器内部通道对气流的阻力越小越好。管道的阻力损失包括沿程阻力损失和局部阻力损失，对于沿程阻力损失，工程设计中，一般采用达西公式计算管道沿程阻力损失：
式（１）中，Ｌ为管道长度，ｄ为管道直径，ρ为流体密度，ｖ为对应截面的平均流速，ｇ为重力加速度，λ为沿程摩擦阻力系数，可由经验公式给出。一般也用流速水头来表示局部阻力损失，计算公式如下：
其中，ζ为局部损失系数。管道的中的总压力损失：
传统的冷却塔消声器通道主要是采用直通式。对于这种方式，为了改善低频吸声效果，最直接的方法便是增加吸声体的厚度。对于直通段来说就是让穿孔板背后的吸声体占比增大，吸声体体积增加，流体通道宽度减小，通道流速增大，根据达西公式可知，沿程阻力损失也会增加。对出口部分来说，当吸声体体积增大的同时，不仅通道中的流速增加，而且局部损失系数增加，此时会带来较大的局部损失，总压损也会明显增加。对传统冷却塔消声器内部通道优化的同时，保证吸声体的体积占比增加，即吸声效果增加，但从进口到出口的总压损不变或者不能有较大的增加，因此主要是在直通段尽量使得通道越窄越好，在出口段采用渐扩结构代替传统消声器尾端突扩结构，以优化消声器的声学性能和空气动力学性能。当流体流过渐扩管时管道截面渐渐变大，此时处于逆压梯度区动量需要克服逆压，且在靠近壁面处，由于流速小，存在靠近壁面处出现倒流，产生损失，且角度越大，损失越大。因此，需要寻找一个最佳的角度，避免流体在壁面处产生流动分离。
1.1物理模型
研究对象为一个长１ ５４６ｍｍ，高１０ｃｍ的截面通道，其中穿孔壁面直通段长度为１１０ｃｍ，倾斜段长度为４５ｃｍ，非穿孔壁面直通段上下游长度分别为３ ０００ｍｍ和１ ５００ｍｍ，如图１、图２。
图１ 物理模型结构示意图
图２ 局部结构示意图
其中为扩张角度，穿孔板穿孔率为２０％，孔径３ｍｍ，穿孔板壁厚０．８ｍｍ，其结构如图３。
实际通道中穿孔板紧贴光滑板，理论上存在气体进入穿孔孔径，但流量很小。本文假设气流不流入穿孔板孔径，希望考察扩张段角度变化对管道阻力损失的影响。物理模型改变量为扩张段角度，调节角度观察最大的未发生流动分离的扩张角度。
1.2网格划分和流体仿真计算
利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件画出流体域，并采用ＩＣＥＭ对其进行网格划分，均采用解耦合网格，并在几何结构发生变化处进行网格局部加密，分别进行网格无关性验证，网格数需在３００万以上。取网格数量为３１０万，进口设置为ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ，入口速度设置为８ｍ／ｓ；出口设置为ｏｕｔｆｌｏｗ；通道的表面粗糙度设置为１ｍｍ。模型以外通道均设置为ｓｙｍｍｅｔｒｙ。采用ｋ－ε模型，压力和速度耦合方式选取ＳＩＭＰＬＥＣ算法。
1.3实验装置设计
为了验证计算结果的可靠性以及更进一步观察通道内的流场特性，进行渐扩角度的实验测试。实验装置如图４。
图４ 穿孔板实验装置图
2冷却塔降噪措施
2.1声屏障设计
由于冷却塔轴流风机的出风口安装排气消声器，阻断了噪声的路径，因此为了保证冷却塔能够很好地散热，不能对其进行封闭式隔声处理。为此，我们采用设置组合式声屏障的方法阻止噪声能量传播。其特点设计如下：①为了保证所有噪声敏感点处于屏障的屏蔽区，从而获得最佳去噪效果，需要根据科学的计算得出。②声屏障下面以隔声设计为主，同时考虑到声波的绕射，声屏障顶端1m采用吸-隔组合式结构，以获得最佳的降噪效果。吸-隔组合式声屏障吸声壁体选用宽频带组合式吸声板；隔声壁体采用双层板隔声结构，外层设置阻尼隔声板，内层设置中阻尼隔声材料，两层隔声材料间留有2-3mm空气层。③在声屏障的风机进风口处设置折板式吸声结构，以便在保证冷却塔散热的前提下获得最佳的去噪效果。
2.2冷却塔风机消声器的设计
冷却塔主要的噪声源就是风机，而且噪声频率以低频为主。根据实际情况，我们可以通过在风机出口处加消声器达到降噪的目的。我们常说的消声器主要是阻性消声器、抗性消声器和排空消声器三大类。而消声器的设计主要包括以下几个方面：①消声片半厚度。吸声材料大多数选用的是超细的玻璃棉、玻璃纤维丝和毛毡等材料，为了能够计算出消声片的厚度，则需要根据共振频率的常数关系。②气流通道截面面积。气流通道的宽度减少，就会提高消声器的消声量，缩小消声器的几何尺寸，因此，在不能降低流速的情况下，气流通道总截面积等都会与之相连接。③消声器长度l。根据片式消声器消声量计算公式：ΔL=A（α）·2l/a。ΔL———消声器的消声量；l———消声器长度；消声器进口端的噪声源主要是从出口段发出来的，因此出口端的噪声频谱由GB3096-93《城市区域环境噪声标准》中2类标准要求确定。
结语
通过设置消声器、声屏障等技术措施实现对冷却塔噪声污染进行综合治理，并通过验收，测得各噪声敏感点噪声声压级均值达到GB3096-93《城市区域环境噪声标准》中2类标准的要求，即昼间60dB（A），夜间50dB（A）。通过实际测量的噪声值，进行噪声处理措施的实际效果，可以满足达标的需要。冷却塔经过治理后噪声达到国家标准并且设备本体运行良好，为冷却塔及相关方向噪声综合治理提供技术参考。
参考文献：
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[2]袁建磊，张雪庆，贺向阳，等．电厂输煤系统消防给水方式探讨［J］．给水排水，2009，35（2）：83～85．
论文作者:高国玉,张贵斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：消声器论文; 冷却塔论文; 噪声论文; 通道论文; 阻力论文; 损失论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第14期论文;