0 引言

    熱風(feng)爐是(shi)鋼鐵冶煉(lian)設備高爐的(de)(de)一(yi)個(ge)重要(yao)(yao)組(zu)成(cheng)部分。熱風(feng)爐的(de)(de)主要(yao)(yao)作用是(shi)把(ba)鼓風(feng)加熱到要(yao)(yao)求的(de)(de)溫度(du)，用以提高高爐的(de)(de)效益和效率(lv)。但是(shi)在冶煉(lian)過程(cheng)中經(jing)常要(yao)(yao)調節氣(qi)體(ti)流量的(de)(de)大小，以配(pei)合(he)各種工況下鋼鐵的(de)(de)冶煉(lian)。為(wei)了實現自由調節氣(qi)流目的(de)(de)，需要(yao)(yao)用閥(fa)(fa)(fa)或(huo)閥(fa)(fa)(fa)組(zu)的(de)(de)開啟或(huo)關閉。其中閥(fa)(fa)(fa)在啟閉瞬間產生巨(ju)大的(de)(de)噪音，而噪聲(sheng)(sheng)又已成(cheng)為(wei)威脅(xie)人(ren)類(lei)生存的(de)(de)三大公害之一(yi)，噪聲(sheng)(sheng)對(dui)(dui)人(ren)們的(de)(de)心理和生理都(dou)有(you)嚴重的(de)(de)影響。故(gu)需要(yao)(yao)對(dui)(dui)閥(fa)(fa)(fa)組(zu)進行聲(sheng)(sheng)學仿(fang)真分析，以期能得到閥(fa)(fa)(fa)組(zu)的(de)(de)噪音值，從而判定噪聲(sheng)(sheng)危害的(de)(de)程(cheng)度(du)，而該噪聲(sheng)(sheng)產生的(de)(de)主要(yao)(yao)原(yuan)因是(shi)振動(dong)，又由于閥(fa)(fa)(fa)或(huo)閥(fa)(fa)(fa)組(zu)在此過程(cheng)中的(de)(de)使(shi)用頻率(lv)高，屬于易發生損壞失效的(de)(de)部件，故(gu)對(dui)(dui)熱風(feng)爐閥(fa)(fa)(fa)做聲(sheng)(sheng)固耦合(he)分析對(dui)(dui)減噪和強度(du)校核有(you)著重要(yao)(yao)的(de)(de)實際(ji)意義。

    筆者以(yi)(yi)某熱風(feng)(feng)爐閥(fa)為研究(jiu)對象(xiang)進行聲固耦(ou)合分(fen)析，主要從模態振(zhen)型(xing)和聲固耦(ou)合等方(fang)面(mian)對閥(fa)體(ti)和閥(fa)周圍(wei)(wei)區域(yu)流體(ti)進行分(fen)析。重(zhong)點計算(suan)了閥(fa)體(ti)及閥(fa)體(ti)周圍(wei)(wei)的聲場，得(de)到了閥(fa)體(ti)周圍(wei)(wei)一(yi)定區域(yu)內(nei)噪音值，以(yi)(yi)期通過改變結構以(yi)(yi)達到減噪的效果(guo)，并期望此計算(suan)結果(guo)能(neng)對熱風(feng)(feng)爐閥(fa)減噪有一(yi)定的參考意義。

    1 聲振耦合有限元分析理論基礎

    1.1 聲學Helmholtz波動方程

    解決聲學(xue)外(wai)聲場問題(ti)的(de)(de)最終目的(de)(de)就(jiu)是要求解某(mou)個特(te)定問題(ti)的(de)(de)Helmholtz（人名：亥姆(mu)霍茲）波動(dong)方程(cheng)的(de)(de)解，而聲學(xue)Helmholtz方程(cheng)是結合了(le)聲波的(de)(de)連(lian)續方程(cheng)、運動(dong)方程(cheng)和物態方程(cheng)推導得來的(de)(de)。

        （1）

    式（1）中：k＝2πf/c為波數；ω＝2πf為角頻率；f為頻率；λ為對應的波長；為拉普拉斯算子；為聲波在流體介質中的傳播速度；p（x，y，z）＝p0（x，y，z）＋p′（x，y，z）為流體的聲壓；p₀（x，y，z）為初始位置流體聲壓；ρ（x，y，z）＝ρ₀（x，y，z）＋ρ′（x，y，z）為流體的密度；ρ₀（x，y，z）為靜態聲壓；q（x，y，z）＝q0（x，y，z）＋q′（x，y，z）為附加質量；q₀（x，y，z）為(wei)初始質(zhi)量。

    1.2 耦合聲學有限元方程

    聲音作用于結構上的聲壓載荷可以看作是(shi)附(fu)加的法(fa)線載荷，可得(de)到動力學方程如(ru)下(xia)：

    （K_s＋j_ωC_s－ω²M_s）·｛u_i｝＋K_c｛p_i｝＝｛F_si｝     （2）

    在流體(ti)和結(jie)構耦合的(de)位置(zhi)處，結(jie)構法線(xian)方向(xiang)的(de)振(zhen)動(dong)速(su)度與流體(ti)法線(xian)方向(xiang)的(de)振(zhen)動(dong)速(su)度相同，在流固(gu)耦合交界面處，結(jie)構的(de)振(zhen)動(dong)速(su)度可以看(kan)作(zuo)是聲音的(de)附加速(su)度輸入(ru)，這時聲學(xue)方程變化為如下方程（3）所示(shi)：

    （K_a＋jωC_a－ω²Ma）·｛p_i｝－ω²Mc｛u_i｝＝｛F_ai｝     （3）

    將方(fang)(fang)程（2）、（3）寫成一個矩(ju)陣的形式，并進行耦(ou)合處理，得到耦(ou)合聲學(xue)方(fang)(fang)程：

    式（4）中：K_s為結構網格上沒有受到約束部分的剛度矩陣；Ka為模態中聲學剛度矩形；Ms為結構網格上沒有受到約束部分的質量矩陣；Ma為模態中聲學質量矩形；Cs為結構網格上沒有受到約束部分的阻尼矩陣；Ca為模態中聲學阻尼矩形．ρ₀為靜態聲壓；為激勵荷載；ω＝2πf為角頻率；｛pi｝為壓力矩陣；為(wei)(wei)聲學激勵；｛ui｝為(wei)(wei)固體(ti)位移矩陣；ω＝2πf為(wei)(wei)角頻率。

    2 微穿孔板消聲閥體聲場計算

    2.1 工程閥體概述

    圖1所示即為某熱風爐管道的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個閥體(ti)(ti)，當氣態流(liu)體(ti)(ti)從左端入(ru)口(kou)流(liu)入(ru)，隨(sui)活塞(sai)推移而(er)經穿孔柱板(ban)流(liu)入(ru)腔體(ti)(ti)，該過程(cheng)中(zhong)噪(zao)(zao)音(yin)(yin)主要源自氣體(ti)(ti)流(liu)動時(shi)對固體(ti)(ti)管壁產生(sheng)沖擊而(er)產生(sheng)的(de)(de)(de)機(ji)械振(zhen)動噪(zao)(zao)音(yin)(yin)和(he)氣體(ti)(ti)湍(tuan)流(liu)振(zhen)動的(de)(de)(de)氣動噪(zao)(zao)音(yin)(yin)。該閥結構是(shi)依據小(xiao)孔噴(pen)(pen)流(liu)消音(yin)(yin)機(ji)理(li)，小(xiao)孔噴(pen)(pen)注消音(yin)(yin)的(de)(de)(de)設(she)計機(ji)理(li)是(shi)根據科學(xue)院聲(sheng)(sheng)學(xue)研究所馬大猷教授等(deng)人提出的(de)(de)(de)小(xiao)孔噴(pen)(pen)，注噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)極其控制(zhi)理(li)論(lun)，從發聲(sheng)(sheng)機(ji)理(li)上使它(ta)的(de)(de)(de)干擾噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)減(jian)少，由于噴(pen)(pen)注噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)峰值頻率與噴(pen)(pen)口(kou)直徑(jing)(jing)成(cheng)反比，若噴(pen)(pen)口(kou)直徑(jing)(jing)變小(xiao)，噴(pen)(pen)口(kou)輻射(she)的(de)(de)(de)噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)能(neng)量(liang)將從低(di)頻移向高頻，于是(shi)低(di)頻噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)被(bei)降低(di)，高頻噪(zao)(zao)聲(sheng)(sheng)反而(er)增高。經試驗(yan)表明，當孔徑(jing)(jing)d≤4mm時(shi)，人耳能(neng)聽到的(de)(de)(de)低(di)頻噪(zao)(zao)音(yin)(yin)能(neng)被(bei)降低(di)，以達到減(jian)噪(zao)(zao)的(de)(de)(de)作(zuo)用；同時(shi)若在中(zhong)間部分加入(ru)一(yi)(yi)個活塞(sai)來回(hui)的(de)(de)(de)滑動，以達到控制(zhi)流(liu)量(liang)的(de)(de)(de)效(xiao)果，故該閥體(ti)(ti)兼有(you)消音(yin)(yin)減(jian)壓的(de)(de)(de)效(xiao)果。

圖(tu)1 閥體結構(gou)示意圖(tu)

    故選用孔徑為(wei)4mm的穿孔板(ban)(ban)焊接在(zai)熱風爐(lu)管道中(zhong)，左端(duan)是(shi)管道入口(kou)，右端(duan)是(shi)管道出口(kou)，中(zhong)間部分(fen)為(wei)帶孔柱板(ban)(ban)，氣體(ti)經左端(duan)通過(guo)柱板(ban)(ban)再(zai)(zai)進入大容積腔體(ti)，最后再(zai)(zai)通過(guo)管道出口(kou)流出，整個過(guo)程既實現(xian)了閥體(ti)減壓(ya)的效(xiao)果，也實現(xian)了減噪的效(xiao)果。

    2.2 有限元計算

    2.2.1 建立幾何模型

    建立如圖2所示的(de)(de)帶孔柱板(ban)，其具體(ti)(ti)(ti)(ti)尺寸為(wei)內徑(jing)150mm，外(wai)徑(jing)160mm，底板(ban)厚度為(wei)10mm，然后再在其外(wai)圍(wei)(wei)建立一(yi)個半徑(jing)為(wei)200mm的(de)(de)實(shi)心圓(yuan)柱體(ti)(ti)(ti)(ti)，將實(shi)心圓(yuan)柱體(ti)(ti)(ti)(ti)減去帶孔柱板(ban)，得到如圖3的(de)(de)實(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)流體(ti)(ti)(ti)(ti)模(mo)型(xing)。再在外(wai)部建立一(yi)個半徑(jing)為(wei)600mm的(de)(de)球形區域用來模(mo)擬周圍(wei)(wei)的(de)(de)聲(sheng)場，也即是周圍(wei)(wei)的(de)(de)流體(ti)(ti)(ti)(ti)。結(jie)構模(mo)型(xing)如圖4所示，其模(mo)型(xing)透(tou)視如圖5所示。

圖2 帶孔柱板圖

圖3 內部流體

圖(tu)4 周圍聲(sheng)場模型圖(tu)

圖5 線可視模型圖

    2.2.2 建立有限元模型

    對于(yu)三維(wei)聲學問題，ANSYS（有限(xian)(xian)元(yuan)(yuan)分(fen)析(xi)(xi)軟(ruan)件(jian)(jian)）聲場分(fen)析(xi)(xi)指定了兩種(zhong)(zhong)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)類(lei)(lei)型(xing)：三維(wei)模(mo)(mo)型(xing)的(de)流(liu)體部分(fen)分(fen)別(bie)使用(yong)(yong)Fluid30（ANSYS軟(ruan)件(jian)(jian)中的(de)一種(zhong)(zhong)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)）單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)和Fluid130（ANSYS軟(ruan)件(jian)(jian)中的(de)另一種(zhong)(zhong)流(liu)體單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)），且Fluid130單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)必須和Fluid30一起使用(yong)(yong)，用(yong)(yong)來構(gou)(gou)(gou)造包(bao)圍Fluid30單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)的(de)無限(xian)(xian)外殼(ke)。利用(yong)(yong)兩種(zhong)(zhong)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)類(lei)(lei)型(xing)可以構(gou)(gou)(gou)造流(liu)體部分(fen)的(de)模(mo)(mo)型(xing)，然(ran)后利用(yong)(yong)相(xiang)應的(de)結構(gou)(gou)(gou)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)Solid185構(gou)(gou)(gou)造固體模(mo)(mo)型(xing)。只有Fluid30單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)才能(neng)與(yu)(yu)結構(gou)(gou)(gou)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)相(xiang)接(jie)觸(chu)；Fluid130單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)只能(neng)與(yu)(yu)Fluid30單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)相(xiang)接(jie)觸(chu)，而不能(neng)直接(jie)與(yu)(yu)結構(gou)(gou)(gou)單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)接(jie)觸(chu)．由于(yu)ANSYS的(de)以上功能(neng)，故分(fen)別(bie)選用(yong)(yong)Solid185單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)來模(mo)(mo)擬結構(gou)(gou)(gou)模(mo)(mo)型(xing)，選用(yong)(yong)Fluid30來模(mo)(mo)擬與(yu)(yu)固體接(jie)觸(chu)的(de)流(liu)體部分(fen)，選用(yong)(yong)Fluid130單(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)用(yong)(yong)來構(gou)(gou)(gou)造無限(xian)(xian)外殼(ke)。

    結構模型采用普通低碳鋼制作，其材料屬性分別為彈性模型Ex為2.1×10⁵MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10^-9t/mm³，流體模型需要定義速度和密度，速度為3.44×10⁵mm/s，密度為1.21×10^-12t/mm³，無限外殼的聲速為2×10³mm/s。

    由于柱(zhu)板(ban)(ban)有很(hen)多小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)，若是不(bu)作處(chu)理自由劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)，小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)邊緣位置(zhi)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)質量(liang)很(hen)差，若是要保證小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)邊緣的(de)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)質量(liang)，又(you)導致(zhi)整(zheng)個柱(zhu)板(ban)(ban)的(de)單元(yuan)(yuan)數(shu)過多而加大計算負擔甚至無(wu)法計算。故采用Solid185單元(yuan)(yuan)對(dui)(dui)柱(zhu)板(ban)(ban)上小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)進(jin)行切(qie)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)之(zhi)(zhi)(zhi)后(hou)再進(jin)行網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，切(qie)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)之(zhi)(zhi)(zhi)后(hou)的(de)柱(zhu)板(ban)(ban)結構如(ru)圖(tu)6所(suo)示，切(qie)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)之(zhi)(zhi)(zhi)后(hou)對(dui)(dui)柱(zhu)板(ban)(ban)兩端(duan)和底板(ban)(ban)進(jin)行掃掠(lve)劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，然后(hou)對(dui)(dui)有小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)的(de)中(zhong)間(jian)柱(zhu)板(ban)(ban)部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)采用智能(neng)劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)之(zhi)(zhi)(zhi)后(hou)的(de)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)如(ru)圖(tu)7所(suo)示。對(dui)(dui)中(zhong)間(jian)部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)流體采用Fluid30單元(yuan)(yuan)智能(neng)方式劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)之(zhi)(zhi)(zhi)后(hou)的(de)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)如(ru)圖(tu)8所(suo)示，中(zhong)間(jian)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)局部(bu)(bu)視(shi)圖(tu)如(ru)圖(tu)9所(suo)示。對(dui)(dui)外(wai)圍球體部(bu)(bu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)采用Fluid30單元(yuan)(yuan)自由劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，單元(yuan)(yuan)尺寸(cun)設置(zhi)為40mm，劃(hua)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)網(wang)(wang)格(ge)(ge)(ge)(ge)圖(tu)如(ru)圖(tu)10所(suo)示。

圖(tu)6 切(qie)分(fen)之(zhi)后模型圖(tu)

圖7 切分(fen)之后網(wang)格圖

圖8 中間流體(ti)網格圖

圖9 中(zhong)間流體網格正視圖

圖10 中間流(liu)體(ti)網(wang)格正視圖

    2.2.3 加載與求解

    劃分網格后，由于流體(ti)(ti)和(he)固(gu)(gu)體(ti)(ti)是(shi)兩(liang)個單獨的(de)部分，只(zhi)有通過耦(ou)合(he)(he)才(cai)能使流體(ti)(ti)和(he)固(gu)(gu)體(ti)(ti)進行有效(xiao)關聯從而實現計算(suan)，故在流體(ti)(ti)和(he)固(gu)(gu)體(ti)(ti)交界面處定義流固(gu)(gu)耦(ou)合(he)(he)面，即FSI（流固(gu)(gu)耦(ou)合(he)(he)）如圖(tu)11和(he)圖(tu)12所示。然后在柱(zhu)板入口處施(shi)加0.25MPa的(de)入口壓力。再在無限外殼面定義吸聲(sheng)屬(shu)性，此處吸聲(sheng)屬(shu)性定義為1，即全吸聲(sheng)屬(shu)性，如圖(tu)13所示。最后設置計算(suan)參數并計算(suan)，設置步長為20，范圍從500至(zhi)1000。

圖11 流固耦合交界面(mian)（整(zheng)體視圖）

圖12 流固(gu)耦(ou)合交界(jie)面（局部視圖）

圖13 無限(xian)外殼(ke)定義吸(xi)聲屬(shu)性

    3 聲場分析與結論

    隨著人們對其所居住環境越來越重視，環保部門開始慢慢地關注和管制噪音的危害，而且出臺了相關限制噪音的標準和規范。工業企業環境標準所允許的最大噪音值為90dB，實際普通熱風爐閥在啟閉時產生的噪音高達120dB，嚴重地污染了周圍的環境。對該有限元模型求解計算成功后通過后處理，得到如圖14所示聲壓級云圖，從該圖中可看出最大的聲壓級值為79.2dB。由此可知采用該新型減壓閥能(neng)從(cong)模擬仿真(zhen)方面得到的噪(zao)音(yin)值滿足相關法(fa)律法(fa)規所要(yao)求控(kong)制的噪(zao)音(yin)范(fan)圍，可推知小(xiao)孔噴(pen)注是一種(zhong)行之有(you)效的減噪(zao)方法(fa)，但(dan)必須要(yao)選用合理(li)的小(xiao)孔孔徑及排列方式。

圖14 聲壓級分布云圖

    4 結語

    通過(guo)對某熱風(feng)爐(lu)系統中閥(fa)做聲振耦合有限(xian)元計算，并分(fen)析聲場結果(guo)，最(zui)后可得(de)出以下幾點結論：

    a．進一步(bu)從模擬仿(fang)真角度論證了(le)小孔噴流是減小噪音的有效途徑之(zhi)一。

    b．僅(jin)當(dang)小孔(kong)的直(zhi)徑為(wei)4mm左右時，消音(yin)(yin)減噪的效果較佳。若是孔(kong)徑太小，小孔(kong)容(rong)易被氣體中的雜質堵塞，若是孔(kong)徑過大，又不能將高頻噪音(yin)(yin)濾去，達(da)不到消音(yin)(yin)減噪的效果。

    c．計(ji)算過程及計(ji)算結(jie)果表明(ming)，ANSYS是一款比較實用的有限元處(chu)理軟(ruan)件(jian)，其用戶界面良好，前、后處(chu)理功能強大，計(ji)算精確(que)度高(gao)，是求(qiu)解聲場(chang)分布(bu)行(xing)之有效(xiao)的有限元處(chu)理軟(ruan)件(jian)。