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圆柱腔喷嘴簧片哨声空化特征的研究

作　者: 袁媛
导　师: 吴胜举
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 簧片哨数值模拟发声频率声压级声空化空化噪声谱
分类号: O427.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着现代工业的快速发展和城市化的加快,水体污染越来越严重,造成许多水资源无法再利用,从而加重了水资源的匮乏程度,影响了人类对生存环境的可持续利用。因此,寻求新的方法和技术对流量大、污染物多且又成分复杂的工业污染废水进行有效地、深度处理成为当务之急,为水资源的再利用创造条件。物理方法进行水处理,由于不产生二次污染,被称为“绿色水处理”；其中的声空化物理法集高温、高压、机械剪切和破碎为一体,为物理方法进行水体净化处理创造了特殊的环境基础。簧片哨作为声空化发生器之一,是利用射流喷注冲击簧片,激发簧片做横向振动,向周围液体辐射声波。同时,由于喷嘴附近的截面变化而形成空化泡,且簧片的机械振动作用会使小空泡难以合并,从而加强了空化强度,因此,在研究大流量水体处理中受到重视。并由于它具有结构简单、坚固耐用、处理量大、耗电量小、动力源方便等特点,在油液中的乳化、均化作用,以及在石油生产中的防蜡降粘作用,都已显示出其在工业应用方面独特的效果和巨大的生命力。从目前已有的文献看到：簧片哨的应用,超前于基础研究。而应用研究也仅限于具体实验现象的分析；在簧片哨的设计方面,所能依据的只是经验公式,主要基于经验公式以及不同状况的试验曲线给出的结果与特征来考虑问题。在应用基础理论方面,针对与声波特征有关的频率、强度等参量的计算,并在理论上能给出较准确地预示,从而达到对应用更为方便的控制的研究,几乎处于空白。近十多年来,除了我国罗曾义教授探讨了簧片刃口端点位移反馈发声机理外,国内外对其工作特性的研究很少报道。在本论文中,首先对之前的研究者对该方面的理论和实验研究的进展进行了总结和介绍,再者应用有限元分析法对簧片的振动进行模拟,探讨结构参数对簧片固有频率和振动模态的影响；其次使用有限体积法的计算流体动力学软件Fluent对簧片哨的空化强度进行数值模拟,研究了操作参数、簧片哨的结构对空化效果的影响；最后应用实验的方法对圆柱形喷嘴簧片哨的声学特性和空化特性进行了分析和研究,并结合其模拟结果和实验结果对其发声机理和空化发生机理进行分析和探讨。概括起来主要有以下几项工作：1、总结和介绍了簧片哨的研究进展和应用。2、应用有限元分析软件ANSYS对簧片的振动进行模拟,探讨簧片的长度和厚度改变对其固有频率和振动模态的影响。模拟结果表明：(1)当簧片的厚度和宽度不变,改变簧片长度,簧片振动固有频率随着长度的增加而降低；当簧片的长度和宽度不变,改变簧片厚度,簧片振动固有频率随着厚度的增加而增高。(2)簧片的振动模态存在多种方式,并且随着振动频率的增加,振动模态由单一模态向多种模态相互叠加转变。3、应用有限体积法的计算流体动力学软件Fluent对簧片哨的空化强度进行数值模拟,通过计算簧片哨内湍动能分布、压力分布和速度分布,研究操作参数、簧片哨的结构对空化效果的影响,为簧片哨的结构优化提供依据。模拟结果表明：(1)对于簧片尺寸一定的簧片哨,提高入口压力可使空化流场的湍动能增加、压力值降低、液体流速增加,进而增强流场空化强度。(2)当入口压力一定时,喷嘴到簧片的距离对空化强度有影响并存在一最佳值。(3)当入口压力、喷嘴到簧片的距离一定时,簧片尺寸对空化强度有影响,随着喷嘴长度与厚度比值的增加,空化强度增强。4、通过实验的方法比较研究了圆柱形喷嘴簧片哨的声学特性。研究表明：(1)入口压力对簧片哨发声频率和声压级的影响存在一最佳值,并非随着入口压力的增加而无限增加。(2)喷嘴到簧片距离对簧片哨发声频率和声压级的影响存在一最佳值；当喷嘴到簧片的距离很近时,增加簧片哨的簧片长度与厚度比值,也可以使簧片哨发声,并发出较强烈的声。(3)喷嘴的尺寸对圆柱腔型簧片哨发声频率和声压级有影响,并且其影响主要取决于喷嘴长度与厚度之比。(4)簧片的尺寸对圆柱腔型簧片哨发声频率和声压级有影响。当簧片长度不变时,厚度增加,振动频率加大；当簧片厚度不变,长度增加,振动频率随之减小,与理论模拟的变化规律相同。5、通过实验的方法比较研究了圆柱形喷嘴簧片哨的空化特性。研究表明：(1)入口压力对簧片哨空化流场强度的影响存在一最佳值,并非随着入口压力的增加而增加；相对于湍流强度,空化强度的强弱主要取决于振动体的振动耦合强度。(2)喷嘴到簧片距离对簧片哨空化流场强度的影响存在一最佳值。(3)喷嘴尺寸对簧片哨的空化强度有影响,随着喷嘴长度与厚度比值的增加,空化效果加强。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-15
  1.1 研究背景和选题意义  11-12
  1.2 国内外研究进展  12-14
  1.3 本文研究工作内容和研究目标  14
  1.4 本章小结  14-15
第2章流体动力式发声器簧片哨的发声机理及空化原理  15-25
  2.1 流体动力式发声器分类  15-17
    2.1.1 谐振腔哨  15
    2.1.2 旋笛  15
    2.1.3 旋涡哨  15-16
    2.1.4 圆板哨  16
    2.1.5 簧片哨  16-17
  2.2 簧片哨的发声机理  17-19
    2.2.1 涡旋理论  17
    2.2.2 动力学理论  17-18
    2.2.3 位移反馈发声机理  18-19
  2.3 簧片哨的空化原理  19-23
    2.3.1 水力空化原理  20
    2.3.2 影响水力空化的因素  20-22
    2.3.3 几种常见的测量水力空化强弱的方法  22-23
  2.4 本章小结  23-25
第3章簧片模态的有限元分析  25-35
  3.1 簧片振动频率的理论计算  25-26
  3.2 簧片振动频率的ANSYS模拟计算  26-33
    3.2.1 数学模型与计算求解  26-30
    3.2.2 模拟结果与分析  30-33
  3.3 本章小结  33-35
第4章簧片哨空化流场的数值模拟  35-51
  4.1 计算流体动力学基础知识  35-37
    4.1.1 计算流体动力学的特点  35-36
    4.1.2 计算流体动力学的数值解法  36
    4.1.3 FLUENT软件的介绍  36-37
  4.2 圆柱腔型簧片哨设计理论  37-38
  4.3 数值模拟的数学模型与计算方法  38-43
    4.3.1 数学模型  39-41
    4.3.2 计算方法  41-43
  4.4 稳态流场数值模拟结果与分析  43-49
    4.4.1 入口压力的影响  43-48
    4.4.2 喷嘴到簧片距离的影响  48
    4.4.3 喷嘴尺寸的影响  48-49
  4.4 本章小结  49-51
第5章圆柱腔型簧片哨声学特性的实验研究  51-71
  5.1 实验系统  51-54
    5.1.1 实验系统功能设计  51
    5.1.2 实验系统装置图  51-54
  5.2 实验方案  54-55
    5.2.1 实验内容  54
    5.2.2 实验方法  54
    5.2.3 实验步骤  54-55
  5.3 信号采集  55-56
  5.4 实验结果与分析  56-69
    5.4.1 入口压力对圆柱腔型簧片哨发声频率、声压级的影响  56-59
    5.4.2 喷嘴到簧片距离对圆柱腔型簧片哨发声频率、声压级的影响  59-62
    5.4.3 圆柱腔型喷嘴尺寸对簧片哨发声频率、声压级的影响  62-64
    5.4.4 簧片尺寸对簧片哨发声频率、声压级的影响  64-67
    5.4.5 水动力源对实验测量结果的影响  67-69
  5.5 本章小结  69-71
第6章簧片哨空化噪声谱的测量与分析  71-81
  6.1 实验系统  71
    6.1.1 实验系统功能设计  71
    6.1.2 实验系统框架图  71
  6.2 实验方案  71-72
  6.3 空化噪声谱的结果分析  72-79
    6.3.1 不同入口压力下的簧片哨空化噪声谱分析  72-75
    6.3.2 不同喷嘴到簧片距离的簧片哨空化噪声谱分析  75-77
    6.3.3 不同喷嘴尺寸的簧片哨空化噪声谱分析  77-79
  6.4 本章小结  79-81
第7章结论  81-85
参考文献  85-89
致谢  89-91
攻读学位期间的研究成果  91

圆柱腔喷嘴簧片哨声空化特征的研究

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