鍋爐管束聲散射的理論分析

 隨著鍋爐負(fù)荷及燃料消耗量的日益增加，傳統(tǒng)的除灰技術(shù)已無法解決鍋爐積灰結(jié)焦這一老大難問題。 　　為滿足日益迫切的節(jié)能要求，用聲波清除鍋爐內(nèi)部的積灰和結(jié)焦，異軍突起，成為近幾年剛剛發(fā)展起來的一項(xiàng)切實(shí)可行和行之有效的除灰新技術(shù)。 　　但是，由于迫切的市場(chǎng)需求，使這門技術(shù)的應(yīng)用超前于其基礎(chǔ)研究，與之相關(guān)的許多基本問題目前都還沒有得到很好的解決比如，聲波在遇到鍋爐換熱器管束時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么樣的聲場(chǎng)分布，什么樣的聲場(chǎng)條件才能滿足鍋爐內(nèi)部的清灰和除渣要求等，應(yīng)該是聲波除灰技術(shù)首要解決的問題。 　　但是，從年代歐洲提出聲波除灰技術(shù)專利，年代我國(guó)開始聲波除灰技術(shù)的研究，以及后來年代前后開始工業(yè)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)至今，這個(gè)問題始終沒有一個(gè)明確的答案因此，鍋爐換熱器管束的聲場(chǎng)散射問題的研究是發(fā)展聲波除灰技術(shù)和指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用推廣的重要理論環(huán)節(jié)。 　　處理聲場(chǎng)散射問題目前主要有種方法聲學(xué)報(bào)年矩陣法（）疊加定理法（燈積分方程法（第一種方法由在年研究電磁波散射時(shí)最早提出后來發(fā)展應(yīng)用于聲波散射。 　　對(duì)球面散射體收斂速度快，表現(xiàn)出更強(qiáng)的算法優(yōu)勢(shì)，但對(duì)任意形狀的三維體，特別是當(dāng)散射體的縱橫比較大時(shí)，其收斂速度迅速下降并最終導(dǎo)致發(fā)散第二種方法由。v在年處理任意結(jié)構(gòu)平行圓管多極子聲散射時(shí)最早提出用計(jì)算散射聲場(chǎng)在本質(zhì)上是疊代過程，對(duì)剛性圓管有效，但對(duì)在某些頻率下發(fā)生共振的彈性管，將會(huì)導(dǎo)致疊代過程的發(fā)散同。 　　第三種方法則是由。R .v在年討論兩個(gè)相同圓柱導(dǎo)體的電磁波散射時(shí)提出的對(duì)不同縱橫比的散射體收斂速度變化很小，特別是在考慮管壁振動(dòng)和管內(nèi)液體載荷，以及因管材結(jié)構(gòu)阻尼熱傳導(dǎo)和液一管界面摩擦所引起的能量耗散等因素時(shí)，表現(xiàn)出更廣泛的適用范圍和實(shí)用性。 　　因而，采用研究處理鍋爐換熱器管束的聲場(chǎng)散射問題，預(yù)期可以取得較好的結(jié)果。 　　丫分別用類似方法討論了無限管排的聲透射和有限管排的聲共振問題。 　　無限管排模型在實(shí)際應(yīng)用中，并不總是合理近似，所以結(jié)果的適用范圍受到限制。 　　文獻(xiàn)討論了有限管排的聲共振頻率，但沒有涉及聲場(chǎng)分布。 　　本文通過積分方程（對(duì)鍋爐換熱器管束的聲散射進(jìn)行了理論分析，給出聲波在通過管排時(shí)所表現(xiàn)出的聲場(chǎng)分布情況，重點(diǎn)討論了管壁表面的聲場(chǎng)分布。 　　根據(jù)鍋爐實(shí)際情況，假設(shè)管壁材料為鋼，管內(nèi)充滿水，管外是空氣，就單管和多管兩種情況分別進(jìn)行了理論計(jì)算。 　　結(jié)果對(duì)聲波除灰技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。 　　入射聲波的速度勢(shì)（平面波）假設(shè)為勸`一一i式中，和分別為入射角和波數(shù)，司為場(chǎng)點(diǎn)的極坐標(biāo)以…… 　　為參考管）。 　　為討論問題方便，且不失一般性，在下文中各處將省略。 　　一，項(xiàng)。 　　根據(jù)聲場(chǎng)疊加原理，空間聲場(chǎng)的總速度勢(shì)由部分組成勸叻勸，叻二，其中，勸是入射聲波的速度勢(shì)，勸，是散射聲波的速度勢(shì)，叻，是輻射聲波的速度勢(shì)。 　　根據(jù)積分方程，散射聲場(chǎng)司一鑫樸的一半在上式中，為第管的邊界曲線在圖所示平面內(nèi)），勸）為空間聲場(chǎng)的總速度勢(shì)，（叫尸）為二維函數(shù)。 　　若只考慮零級(jí)與一級(jí)發(fā)散波，可取一，表示第一類零級(jí)函數(shù)。 　　在不考慮圓管的振動(dòng)輻射場(chǎng)時(shí)，空間聲場(chǎng)的總速度勢(shì)勸叻，勸滬一互關(guān)。 　　沁器一鄂二，在上將。 　　管表面上的聲場(chǎng)總速度勢(shì)表示為級(jí)數(shù)理論分析一藝勸藝管表面幾設(shè)有個(gè)相同圓管，按任意排放位置平行放置組成管束，如圖所示，圓管半徑為壁厚為式中，為待定系數(shù)，表示場(chǎng)點(diǎn)位置相對(duì)管的極坐標(biāo)角度。 　　根據(jù)邊界條件曝殲劊。 　　管表面一。 　　藝哭叢乙。 　　曰一又甕7 `二二馨田P叻。 　　瓜藝二二一幾戶勸。 　　護(hù)竺，戶刃氣卜州叭十、了一幾期姜根山等鍋爐管束聲散射的理論分析其中，幾為聲阻抗，表示特性阻抗，包含管壁運(yùn)動(dòng)管內(nèi)液體載荷管壁周圍邊界層的熱粘損失和管壁材料阻尼等因素的影響，形式如下戶一幾夕云。 　　方程（）兩邊同乘以一`同時(shí)對(duì)今從二積分，得出待定系數(shù)的線形代數(shù)方程組，形式如下二月。 　　一藝藝兒一城，下一一于一二花丁下一一長(zhǎng)下花，下一一下十耘力。 　　十孔又幾其中、幾。 　　夕呂了一幾了。，一幾式中，下標(biāo)和。 　　分別表示管壁的內(nèi)部和外部介質(zhì)以后相同），和認(rèn)（）分別表示。 　　級(jí)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)，幾和幾幾。 　　是與管壁內(nèi)外界面的熱粘系數(shù)有關(guān)的參數(shù)，是頻率熱傳導(dǎo)率和界面處粘滯系數(shù)的函數(shù)一丈無二今，丫。 　　一。 　　介汀。 　　汀旦翌業(yè)魚一生些旦二業(yè)衛(wèi)在。 　　管面了了、幾一卜一二一在戶管面眾一尸衛(wèi)蘭鏢宏瞿漂哎一卜一二編念無。 　　一當(dāng)口時(shí)，胡。 　　表示第。 　　管散射波的自身貢獻(xiàn)，象獨(dú)立管一樣當(dāng)口并。 　　時(shí)，叨。 　　表示其余管散射波的貢獻(xiàn)。 　　根據(jù)方程組（）的解圓管表面上的總速度勢(shì)可由（）式確定，而圓管表面外的總速度勢(shì)可將（）式和）式代入方程（應(yīng)用函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)完成方程積分得勸二勸滬一勸蔥井兒。 　　無。 　　九幾。 　　藝叨一。 　　藝藝幾口認(rèn)卜弩式中，奴和分別表示與熱傳導(dǎo)和粘滯系數(shù)有關(guān)的特征長(zhǎng)度（對(duì)水小于一對(duì)空氣小于式中，滬。）是以。 　　管為參考源的場(chǎng)點(diǎn)位置極坐一4守表示比熱容。 　　標(biāo)，）是第一類級(jí)函數(shù)。 　　布是管壁的第。 　　模態(tài)聲阻抗，有如下形式散射聲場(chǎng)計(jì)算一孤不萬麗下一一1一一陽(yáng)一氣其中，一乞的為管壁楊氏模量，為損失因數(shù)，。 　　為泊松比，。 　　二為管壁中聲速。 　　將方程（）代入方程（并考慮第口管表面聲場(chǎng)速度勢(shì)，則有十。叼藝月滬藝藝將上述討論應(yīng)用于管排，計(jì)算管壁周圍的聲場(chǎng)。 　　如圖所示，個(gè)相同圓管，沿，軸等間距（管距為司排放，管內(nèi)為水，管外為空氣，管壁材料為鋼。 　　為簡(jiǎn)化計(jì)算，在不改變管壁運(yùn)動(dòng)主要特征的情況下，根據(jù)）式）式及特征長(zhǎng)度和幾的數(shù)量級(jí)，液一管分界面上的能量損失可以忽略，即，呱二呱。 　　考慮管材阻尼，則特性阻抗丑些三乞一蔥刀），飛二二一萬呢旦奧軍乒衛(wèi)尸口幾乳（戶一乞一萬于一一了在管面一一一二生一切胃?jìng)?cè)一氣方程（等號(hào)右邊第項(xiàng)由管內(nèi)液體載荷引起，第項(xiàng)來自于管壁的輻射。 　　面管口在幾聲學(xué)報(bào)年在系數(shù)中包含了其它管的影響。 　　數(shù)值計(jì)算結(jié)果取不同的對(duì)方程組（）進(jìn)行求將無窮求和級(jí)數(shù)截取為。 　　一計(jì)算系品近似求得圓管表面及其周圍空間的聲場(chǎng)特解數(shù)性圖管排幾何圖表示時(shí)，中心管，‘（。 　　二）表面的聲場(chǎng)頻響特酬為相對(duì)聲強(qiáng)值，二圖和）分別表示中心在二時(shí)，表面聲場(chǎng)角分布仲）曲線。 　　圖和）則表示邊管l）的聲場(chǎng)角分布曲線。 　　爭(zhēng)莎分莎月。且月了乙偉、一數(shù)值計(jì)算中擴(kuò)八二0 c叨戶。 　　根據(jù)（）式和管表面的聲壓八l一一一一亡八下不毛刀一兩一一八廠抓廠一卜不廣人日「丫一刁八廠叮日獷叭，區(qū)一V口一。目一詡下芍爪環(huán)I擴(kuò)一。 　　飛一戈二習(xí)f耳夕罕戶一門叫六卜十乙抓喲一勸一叻管面上。 　　管面上幾二二一面的聲場(chǎng)頻率響應(yīng)特性一背風(fēng)面滬二等逆圖迎風(fēng)， ，面與背風(fēng)，二，迎風(fēng)面滬二口戶口黔逆級(jí)對(duì)尹、扎運(yùn)霎圖中心管表面聲場(chǎng)的角分布曲線一J軍巡即迫男氣診圖獵下罵二一洲二邊管表面聲場(chǎng)的角分布曲線期姜根山等鍋爐管束聲散射的理論分析為證實(shí)計(jì)算結(jié)果的可靠性，應(yīng)用本文發(fā)展的方程組）從兩個(gè)方面分別計(jì)算了獨(dú)立管的散射聲場(chǎng)，并與文獻(xiàn)的剛性獨(dú)立管散射結(jié)果進(jìn)行比較。 　　（l）取管數(shù)用方程組（）計(jì)算的獨(dú)立管表面聲場(chǎng)的頻率響應(yīng)特征如圖實(shí)線所示，發(fā)現(xiàn)與文獻(xiàn)給出的剛性獨(dú)立管聲場(chǎng)計(jì)算式結(jié)果（線）幾乎一致。）取一近似為獨(dú)立管），用方程組（）分別計(jì)算了和線，生口。 　　時(shí)，在遠(yuǎn)場(chǎng)處散射聲場(chǎng)的角分布曲如圖所示，此結(jié)果與文獻(xiàn)中圖基本吻戶了一：卜，悶口~今口叫，　M產(chǎn)沖盯月`護(hù)產(chǎn)甲二乙一一十，扣，一叫卜中叫，瑞戈曰星ù工ù且，1一立圖一迎風(fēng)面于背風(fēng)面獨(dú)立管的壁面聲場(chǎng)頻響規(guī)律一，本文M結(jié)果文獻(xiàn)結(jié)果分析討論根據(jù)計(jì)算結(jié)果圖聲波在通過換熱器管束時(shí)，在各個(gè)換熱器管道表面產(chǎn)生多極子散射，散射聲場(chǎng)與管道相對(duì)位置以及聲波入射方向有關(guān)。 　　在三時(shí)，散射聲場(chǎng)的指向性較弱，管道表面聲強(qiáng)大小近似等于入射聲強(qiáng)并增加時(shí)，散射聲場(chǎng)開始出現(xiàn)比較明顯的指向特性，如圖和圖所示。 　　圖表明，在增加時(shí)，管排迎風(fēng)面與背風(fēng)面相繼出現(xiàn)聲強(qiáng)大小不等的峰值，這是由于多管散射相互加強(qiáng)時(shí)而產(chǎn)生的現(xiàn)象，其結(jié)果可使壁面聲場(chǎng)大幅度增強(qiáng)，預(yù)計(jì)對(duì)聲波除灰等應(yīng)用具有關(guān)鍵性作用，但平均講迎風(fēng)面聲強(qiáng)數(shù)值遠(yuǎn)大于背風(fēng)面的數(shù)值。 　　時(shí)，管道迎風(fēng)面具有最大增益，相對(duì)聲強(qiáng)約為。9時(shí)，管道背風(fēng)面具有最大增益，相對(duì)聲強(qiáng)約為而附近，有一個(gè)頻帶區(qū)域，管道兩面的聲強(qiáng)均大于入射聲強(qiáng)值。 　　圖為獨(dú)立管壁面聲場(chǎng)的頻率響應(yīng)特性，增加，迎風(fēng)面聲強(qiáng)逐漸增加，在壁面周長(zhǎng)等于波長(zhǎng)整數(shù)倍即等于整數(shù)時(shí)，出現(xiàn)相對(duì)極大值背風(fēng)面聲強(qiáng)在時(shí)，開始單調(diào)下降。 　　時(shí)，迎風(fēng)面聲強(qiáng)接近入射聲強(qiáng)值的倍，背風(fēng)面聲強(qiáng)趨于零，近似于剛性平面墻壁的散射結(jié)果。 　　圖是遠(yuǎn)距離散射聲場(chǎng)的角分布曲線，與文獻(xiàn)給出的剛性管散射結(jié)果近似。 　　這正是因?yàn)槿绻」軘?shù)或管間距為無限大，本文給出的理論應(yīng)該過渡到獨(dú)立管，同時(shí)也進(jìn)一步證實(shí)了充水彈性管在空氣中的聲散射行為近似剛性圓柱。 　　上述理論結(jié)果，可以直接用于鍋爐聲波除灰技術(shù)的設(shè)計(jì)。 　　例如，三聲場(chǎng)基本無指向性得出聲波除灰的選頻應(yīng)滿足不考慮爐內(nèi)空氣流動(dòng)和介質(zhì)吸收等因素）三二為爐內(nèi)聲速（一般是溫度的函數(shù)），為爐管半徑。 　　如果某鍋爐爐管半徑爐內(nèi)聲速常溫下），則聲波頻率了三假設(shè)聲強(qiáng)對(duì)清除某種積灰有效，則迎風(fēng)面聲強(qiáng)級(jí)只要不低背風(fēng)面可達(dá)到除灰要求。 　　時(shí)，爐管表面聲場(chǎng)開始出現(xiàn)指向性，對(duì)上述爐管半徑，據(jù)圖結(jié)果，迎風(fēng)， ，面與背面聲強(qiáng)級(jí)相差此時(shí)，爐管迎風(fēng)面聲強(qiáng)級(jí)要達(dá)背風(fēng)面才能達(dá)到除灰要求，這樣聲源到爐管的距離大約要減小到三時(shí)除灰距離的一半才能清除背面積灰。 　　二圖獨(dú)立管的遠(yuǎn)距離散射場(chǎng)角分布曲線）加聲學(xué)報(bào)年結(jié)論用積分方程來研究處理鍋爐換熱器管束的聲場(chǎng)散射問題，是正確有效的，可以直接用于鍋爐換熱器管排聲波除灰的聲學(xué)參數(shù)選取。 　　進(jìn)一步的工作可以在此基礎(chǔ)上完善對(duì)各種不同鍋爐的聲場(chǎng)計(jì)算，開發(fā)定量確定除灰聲源聲場(chǎng)及爐內(nèi)環(huán)境等參數(shù)之間關(guān)系的軟件包，投入實(shí)際應(yīng)用，以指導(dǎo)聲波除灰技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。