脫硝高溫電除塵器出口煙囪處在運行時有明顯的低頻噪音問題，對周邊的生產生活產生了嚴重的影響。為探究低頻噪音的產生機理以及提出降噪方案，對出口風機到煙囪處進行CFD仿真，模擬其氣流脈動，以期對噪音的改善起到幫助性作用。

1.模型建立

根據圖紙對系統進行三維建模，模型包括三部分：進口靜止部分、風機葉輪區域旋轉部分、以及喇叭口擴散段和煙囪處的靜止部分。

圖1 計算模型

2.邊界條件

進口邊界條件按照風量換算成速度進口（22.92m/s）,出口為壓力出口，出口壓力設置為0Pa，固壁面設置為無滑移。風機葉輪區域設置為旋轉域，轉速為990rpm，旋轉域模型采用MRF，旋轉域與靜止域之間以Domain Interface連接，以保證數據的傳遞。

由于該區域內的氣流為帶旋轉域的非定常復雜流動，同時為了檢測流域內部各個部位的壓力脈動，需進行瞬態計算，時間步長給定為0.0006s，每一個時間步內迭代10次。

壓力監測點分別布置在下圖的P1~P9處，其中P1、P2和P3點處在煙囪進口孔板后側；P4、P5和P6三點在風機出口到煙囪進口之間的擴散段；P7、P8和P9在煙囪中心線上。

圖2 瞬態計算監測點布置

3.計算結果及分析

3.1 原始方案

3.1.1計算域整體流場分布

圖3為瞬態計算條件下某一時刻煙道內氣流的流線分布，從中可以看到氣流從進口進入計算域后，經過葉輪的旋轉作用，在喇叭口內形成了十分紊亂的湍流運動，后經由煙囪排出。

圖3 煙道內氣流流線分布

一般而言，管路中的噪音來源主要包括三方面：壓力脈動、氣流噪音和管路振動。因此我們根據瞬態仿真結果，從壓力脈動和氣流兩方面進行分析。

3.1.2 壓力脈動分析

壓力脈動是由于氣流在流場中運動時，由于某種周期性的擾動（如風機的周期性旋轉、渦流的周期性運動等）對氣流產生周期性的作用，使得流場中的壓力往往會出現周期性的變化，當壓力脈動過大時，則會導致噪音的產生，以及局部動應力的增大，使設備出現明顯振動。

對各測點處的壓力脈動頻域信號進行頻域分析，得到圖4所示的壓力脈動頻域圖如下，從頻譜結果來看，壓力脈動幅值最高的區域出現在P4點和P5兩點，P4點在8.14Hz的主頻下脈動幅值為67.3Pa，P5點同樣在8.14Hz頻段出現的幅值為25.7Pa。即喇叭口處的壓力脈動最為劇烈，這是由于這里的壓力脈動來源主要是葉輪旋轉所產生的，而這兩個點所處的位置距離葉輪是最近的，因此受到葉輪的影響也是最明顯的。隨著喇叭口的擴散作用，以及煙囪進口孔板的作用，下游處其他測點處的壓力脈動有所減弱，幅值均在20Pa以下，而煙囪軸線上的P7、P8、P9三點的幅值分別8.1Pa，4.9Pa和5.3Pa，在所有測點中最小，這是由于隨著氣流向下游自由流動，流場的擴散作用會使其向更加穩定的方向發展。

圖4 各測點處壓力脈動頻域分布
t=t0	t=t0+0.03s		t=t0+0.06s
t=t0+0.09s	t=t0+0.12s		t=t0+0.15s
t=t0+0.18s	t=t0+0.21s
圖5 不同時刻喇叭口進口氣流矢量分布

對P4和P5兩點即壓力脈動最為劇烈的喇叭口進口區域的流場流動狀態進行分析，圖5是某時刻t0以及其后0.21s時間段內喇叭口進口處的流場分布，從圖中可以看到，P4點位于風機輪轂尾翼后緣處，而氣流從進口通過葉輪輪轂的時候會發生繞流，在輪轂后緣容易有卡門渦街的出現，卡門渦易引起設備產生震動，進而激發產生噪音。從圖中可以看出，輪轂后的卡門渦（圖中紅圈位置）在t0~t0+0.12s完成一個運動周期，因此其頻率約為8.3Hz，十分接近P4和P5兩點壓力脈動出現幅值的主頻頻率值8.14Hz，因此可以認為P4和P5兩點處的壓力脈動是由輪轂后緣的卡門渦所致。

3.1.3 局部氣流流場分析

管路中噪聲的另一個來源是氣流噪聲，也即管路中由于氣流流速分布不均勻，導致局部存在高風速，這會致使流體質點之間產生摩擦，因而振動加劇，導致噪音的產生。圖6是管道中心截面處的速度分布圖，能夠從圖中看出，由于風機對氣流的作用，氣流在風機出口位置分布很不均勻（這是由于風機葉輪高速旋轉，氣體質點受到離心力的作用，會有向管道四壁運動的趨勢，因而在風機出口圓形管道截面處，流速分布呈四周大中間小的分布狀態），在這種不均勻來流的情況下，氣流在喇叭口沒有完全擴散開，導致進入煙囪時仍然以一種極不均勻的方式在運動，而局部高風速則是導致噪音的一大原因。

圖6 喇叭口及煙囪進口處流速分布

由于噪音在煙囪進口處十分明顯，因此我們對煙囪進口前格柵位置的局部流場進行分析，取圖2中截面1上的流速分布結果如圖7所示?？梢钥闯?，截面1上流速分布極不均勻，部分柵格內部流速幾乎接近0m/s，而整個截面上的最大流速點流速達到了48.6m/s，過高的局部風速也是導致噪音產生的一個重要原因。

圖7 截面1處流速分布圖

3.2 改進方案

3.2.1 壓力脈動分析

表1列出了原始方案和改進方案下流場內9個測點處的壓力脈動主頻頻率點和幅值的對比情況。從對比結果來看，所有測點處的壓力脈動均有明顯改善，P8點、P9點的壓力脈動幅值降幅甚至達到了92.18%和90.57%，壓力脈動幅值降幅最小的P2點降幅也達到了41.35%。

表1 兩種方案下各個測點壓力脈動對比

	原始		改進
測點	主頻/Hz	幅值/Pa	主頻/Hz	幅值/Pa	降幅
P1	4.88	11.80	3.26	4.70	60.17%
P2	1.63	8.27	3.26	4.85	41.35%
P3	1.63	18.94	3.26	2.20	88.38%
P4	8.14	67.29	6.51	35.09	47.85%
P5	8.14	25.70	6.51	4.09	84.09%
P6	8.14	11.70	6.51	5.11	56.32%
P7	3.26	5.32	3.26	2.00	62.41%
P8	1.63	8.06	6.51	0.63	92.18%
P9	1.63	4.88	1.63	0.46	90.57%

由于P4和P5兩點為原始方案中壓力脈動最劇烈的位置，因此在改進方案中，我們著重分析P4和P5兩個壓力脈動測點處的流態變化情況。從表1中能夠看到，P5點的壓力脈動幅值相比于原始方案已經降低了84.09%，只有4.09Pa,已經趨于穩定，這是由于修改導流板之后，在喇叭口擴散段的氣流擴散作用更加均勻。而不像原始方案中氣流逐漸集中在某一個區域，而喇叭口大部分區域則被大面積的旋渦所占據，而旋渦的周期性運動則是到時壓力脈動劇烈的決定性因素。由于P4點處在風機輪轂的背風區，因此該點的壓力脈動仍舊在9個測點中最劇烈。根據圖8，我們能夠看出P4點的壓力脈動來源主要是由于輪轂背風區所產生的尾渦，從圖中能夠看到當t=t0時，輪轂側后方開始形成旋渦，隨著時間的推移，旋渦逐漸向下游擴散并發展，帶動了下游P4點附近的壓力變化。當t=t0+0.09s時刻，旋渦基本脫離輪轂表面，在其他方向上的氣流的沖擊以及喇叭口的擴散相互作用之下，旋渦開始逐漸變小，經歷t=t0+012s之后到t=t0+0.15s時，旋渦幾近消失，而此時輪轂側壁面形成了新的旋渦，開始了新一個周期的壓力脈動變化。這個周期歷時大約在0.15s左右，換算成頻率值大約在6.6Hz左右，與壓力脈動頻域分析的結果中最高幅值所對應的6.51Hz一致。而原始方案中P4點的壓力脈動主頻值為8.14Hz，與改進方案的主頻值有所不同，這主要是由于在原始方案中P4點處在兩個導流板之間，而導流板內部的壓力變化不但收到輪轂尾部產生的卡門渦的影響，還要受到卡門渦在導流板上形成的二次卡門渦的影響，這直接導致了兩個導流板之間出現了“葉道渦”，壓力脈動頻率主要是由于該“葉道渦”的影響所致。

t=t0	t=t0+0.03s	t=t0+0.06s
t=t0+0.09s	t=t0+0.12s	t=t0+0.15s
t=t0+0.18s	t=t0+0.21s	t=t0+0.24s
圖8 不同時刻喇叭口進口氣流矢量分布

3.2.2 局部氣流流場分析

增加導流板之后，從圖9能夠看出，在中心軸線截面上的速度分布更加均勻，局部大面積的低速區基本消失，而且煙囪內部的速度基本處于5~16m/s范圍內，相比于圖7，低速區明顯面積明顯減少，氣流在此處的流動會更加穩定。

圖9 喇叭口及煙囪進口處流速分布

圖10是改進方案截面1上的氣流流速分布情況，從圖中能夠看出，該方案下截面1處的氣流流動更加趨于均勻化，局部高風速點消失，最高風速從48.6m/s降低到了25.5m/s，降低了約47.5%，有利于消除局部高風速引起的氣流噪音。同時該方案下高風速主要集中在截面1下側，氣流從此處進入煙囪內，有助于使煙囪內的流動更加順暢，避免氣流阻力的升高，這也是煙囪內P8和P9兩點壓力脈動幅值降幅達到90%的原因。

4、 總結

1、由于氣流在經過風機輪轂發生繞流時，輪轂后側產生的卡門渦會致使喇叭口進口處存在較強的壓力脈動，而壓力脈動則會在一定程度上導致噪音的出現。

2、原始方案氣流流速分布不均會導致煙囪進口處存在局部過高的風速，最大風速點的流速達到了48.6m/s，容易產生氣流噪聲。

3、經過改進方案的導流后，最高風速點降低到了25.5m/s，同時壓力脈動各個測點壓力脈動幅值有明顯減弱，降低了41%~92%左右，原始方案中壓力脈動最劇烈的P4、P5點分別降低了47.09%和84.09%。