К.т.н. Заяц Б.С., Заяц И.Б., д.т.н. Яговкин Н.Г.

Самарский государственный технический университет, Российская Федерация

МОДЕЛЬ ШУМООБРАЗОВАНИЯ В ГАЗОВОЗДУШНЫХ ТРАКТАХ ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

 

При проектировании оборудования газораспределительных станций транспорта газа одной из наиболее сложных проблем является снижение аэродинамического шума.

Всякое неламинарное течение газа, как правило, сопровождается аэродинамическими шумами. Природа возникновения аэродинамического шума определяется неоднородностью потока газа, образованием вихрей у твердых границ потока, перемешиванием газовых потоков, движущихся с различными скоростями и рядом других не менее сложных причин. В связи с этим при проектировании оборудования не удается учесть всю совокупность шумообразующих факторов.

Для расчета систем снижения аэродинамического шума были созданы модели шумообразования и акустического поля, возникающего в газовоздушных трактах оборудования газораспределительных станций (ГРС).

В основу была положена модель Блохвинцева-Хоу [1]. В связи с тем, что с точки зрения акустики тракт является не только волноводом, транспортирующим звуковую энергию, но и среда вследствие нестационарных процессов в потоке является источником шумообразования. Эта модель на основании общей теории турбулентности и при ограничениях (относительной протяженности газовоздушного тракта S / d и среднерасходной скорости V _ср ) преобразована в зависимость для определения генерируемого в газовоздушном тракте уровня шума L :

L = (дБ),   (1)

где С – скорость звука в рабочей среде;

P ₀ =2*10 ^-5 Па – пороговое звуковое давление;

S – длина тракта, м;

d – поперечное сечение, м ² .

Шум, возникающий в тракте протяженностью S/d =10, заполненного потоком газообразной рабочей среды с плотностью r =1 кг/м ³ и скоростью звука С = 340 м/с оценивается уровнями 10 м/с – 10 дБ, 25 м/с – 42 дБ, 50м/с – 66 дБ, 100 м/с – 90 дБ, 200 м/с – 114 дБ, то есть при скоростях V _ср ?20…30 м/с поток субъективно оценивается как практически бесшумный.

Таким образом, существует два пути предотвращения аэроакустических автоколебаний и соответствующих резонансных эффектов в газовоздушных трактах. Первый обеспечивается безотрывностью течения рабочей среды в канале, поскольку при этом устраняется возможность возникновения мощных крупномасштабных когерентных структур. Второй основан на размыкании акустической обратной связи путем введения в тракт жестких продольных перегородок, препятствующих формированию интенсивных поперечных звуковых колебаний.

Модель для расчета акустических процессов в этом случае основана на уравнениях Гельмгольца для потенциалов звуковой скорости в рабочей среде на основании условий непрерывности звуковых давлений и нормальных составляющих звуковой скорости на границе сред [1].

На основе теории гидродинамики уравнение неразрывности имеет вид:

, (2)

Путем преобразований получено базовое уравнение для расчета акустического взаимодействия:

,      (3)

Решение его обеспечивается при условии непрерывности звуковых давлений и звуковых скоростей при любых (в том числе и разрывных) пространственных распределениях плотности и скорости звука среды.

С учетом предположения, что структура (модовый состав) акустического поля по длине щелевого канала остается неизменной, потоки акустической энергии через поперечные сечения канала пропорциональны во всей рассматриваемой области среднеквадратичным значениям пульсаций пристенного звукового давления   (принцип автомодельности), уравнение баланса звуковой энергии в канале в рамках предполагаемой автомодельности и схемы может быть записано следующим образом:

,     (4)

где – изменение среднеквадратичных звуковых давлений на элементарном отрезке dx по оси канала, м ² ;

S (x) – площадь поперечного сечения канала;

d F _ст – площадь поглощающих стенок канала на протяжении от сечения х до сечения х+dх , м ² ;

  – эффективный коэффициент звукопоглощения стенок, численно равный отнесенному к   потоку звуковой энергии через единицу площади поверхности поглощающих стенок канала ( – волновое сопротивление рабочей среды).

Общее изменение уровня звукового давления на всем протяжении канала от сечения Х ₁ , до сечения Х ₂ выражается в виде:

,    (5)

При использовании системы в виде двумерных щелевых каналов переменной ширины, имеем:

,     (6)

где в b (х) – ширина щелевого канала, м.

Модель является базовой при расчете и ее акустических характеристик потока газа в трактах оборудования ГРС.

 

Список использованных источников:

1. Борьба с шумом на производстве : с правочник / под ред. Е.Я. Юдина. – М.: Машиностроение, 1963. – 352 с.