摘要
涡流管是一种结构简单，内部无运动部件的装置，其可将压缩气体通过其流场分离出冷热两股气体。近年来，国内外陆续出现涡流管在天然气露点控制、天然气液化以及轻烃回收等方面的工程应用。但是人们发现涡流管在运行中伴随着一定的噪声，并造成一定的危害。然而目前对于涡流管声场特性研究还很匮乏，因此，本文通过实验改变逆流式涡流管的结构与工况来进一步研究涡流管流噪声的成因机理、声场特性与能量分离效应之间的关系。同时在相同能量分离效果下，对涡流管的运用条件进行优选，从而降低噪声。这无论是分离机理研究还是对于涡流管在工业应用中降低噪声污染都具有十分重要的意义。 以热管长径比为9的逆流式涡流管为研究对象，采用实验测量与数值模拟相结合的研究方法展开研究。首先，对涡流管在不同入口压力（0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa）、不同冷流率以及采用不同喷嘴数目（4、5、6）下展开正交性实验研究。结果表明：不同喷嘴数涡流管的能量分离特性趋势一致。涡流管的冷端温降、热端温升随着入口压力的增大而增大，冷端温降和热端温升分别在在冷流率为0.4附近和0.9附近达到最高。研究还发现五喷嘴有最强的能量分离特性，四流道表现最弱。 利用声学传感器MPA201对声信号进行采集，并对各工况下涡流管声场信号进行处理分析，获得涡流管声场规律。结果表明：涡流管的声信号为宽频信号，整体声能量主要集中在4000-5000 Hz频域；涡流管的声场信号强度随着入口压力的增大而增大；同时不同入口压力下声压级频谱随频率的变化趋势几乎一致，冷流率为0.4时，声压级达到最大，增大冷流率声信号逐渐减弱。整体表现为五流道数涡流管的声场信号最强，冷流率为0.4时，达到97 dB；三种喷嘴数之间的差距在0.3 MPa最大，随着入口压力的增大逐渐减小，同时声压级频谱随频率变化趋势变得平缓。以同等温效为前提，可发现在入口压力为0.3 MPa时，三种喷嘴的声信号区别不大。压力增大，四、六喷嘴的声信号明显低于五喷嘴。喷嘴相同时，满足温效的同时应选择较低入口压力，此时声信号最低。 简化涡流管结构，建立了涡管的三维几何模型。采用ICEM软件进行网格划分，采用Reliable k-ε湍流模型进行稳态计算。在流场模拟结果中，随着冷流率的增大，涡流管热管高温区范围逐渐向涡流室延伸；与此同时，热端温度梯度分布逐渐细化。采用大涡模拟（LES）计算流场，得到涡流管内部流场的时变特性，并分析流场特性得出声源成因；再利用气动声学模型（FW-H）对实验无法监测的内部声场进行模拟研究，得出其内部的声场特性。可据此为涡流管在工业应用中声场预测提供研究基础。
NETL