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计算机模拟
2013.12.25

(1)计算机声学模拟

    为进一步验证设计方案的可行性,需对设计方案进行计算机声学模拟验证。

    针对储气库压缩机厂房,空冷器机组,泵房等噪声源进行噪声控制,“计算机模拟”能够将相关参数(包括厂房墙体的隔声量,隔声屏障的高度等)输入计算机软件,模拟分析出整个区域包括地形、地貌等的区域环境噪声,较直观的根据噪声影响的范围做定量的分析预测噪声控制效果,能够进一步直观验证噪声控制方案的可行性,最大限度的节省投资和施工成本。

    RAYNOISE是比利时LMS声学设计公司开发的一种高级计算机程序,用以模拟声学行为有关的室内封闭声场及室外开放声场、半封闭半开放的混合声场。

    RAYNOISE能精确地模拟声学传播的物理行为,包括物理界面的镜面反射和漫反射,墙体吸收和空气吸收,遮蔽物衍射,以及墙体透射。声源的指向性参量可以通过参量文件进行精确设定。声源可以是点声源也可以是线声源。

    RAYNOISE主要用于工业噪声控制、室内声学和环境声学的研究,如音乐厅的混响时间的评估,录音室声学设计,火车站地铁站的公共语音系统的语言清晰度评估,扩音系统的设计,高架公路铁路的噪声评估,及其结构、隧道出口、站台的噪声控制,体育馆室内外的观众噪声控制,办公环境的声学设计等等。

    计算机的模拟结果包括统计学混响时间、房间体积和平均自由程。软件可以通过彩色图片来显示声压级SPL、A声级SPL〔A〕、混响时间RT30、清晰度指数STI、侧向声能LE等声学指标。通过详细记录指定的接收点的回声图,可以在时域和频域,精确检测声音传播。

    软件主要采用几何声学算法,借鉴几何光学的一些理论,假设声音的波动特性可以忽略,延直线传播。在计算机建立的三维模型中,根据Snell定理,入射角等于出射角,能够得到计算机声场模拟的算法。虚声源法和声线追踪法是普遍被了解的两种电脑计算方法,并且它们已被应用了几十年了。

声线追踪的主要优点在于这个算法非常的简单。它们只是依赖于声线与物体表面的相交计算,很容易被实现,并且算法的复杂度是,随模型中平面的数量而线形增长的。另外一个优点是,这个算法具有普遍性。一旦计算机发现一个声线与表面的相交,那么镜面反射的路径,漫反射的路径,折射和衍射的路径就能够得到,因而能够模拟非直达的混响声场,甚至可以模拟含有曲面表面的声场。 

声线束追踪方法是声线追踪的扩展。声线束追踪方法通过对空间中的三角锥形声线束跟踪,把从声源产生的反射路径进行分类。声线束追踪的主要优点在于在非矩形空间中,从几何上可以考虑更少的虚声源数目。

目前,几何算法能够提供对高频和近次反射声比较实际,准确的结果。但由于几何的不精确性和几何算法的计算复杂度随反射和衍射数量增加,准确性也受到局限。为减少这些问题带来的弊端,软件中加入了统计学尾部校正。当声束被放弃追踪时,它们仍残留部分声能。由于能量存留的原因,用户必须确保放弃声束追踪的底限定得足够低,以保证声束被放弃时残留的声能小得可以忽略不计。在混响时间很长的情况中,长衰减就意味着长的声线传播路径,就意味着机器将耗费大量的时间进行计算。为了缓解这样情况,用户可以利用统计学声学原理得到接收点回声图的尾部情况。

目前RAYNOISE软件被成熟的应用于国内多项大型工程,剧场类包括国家大剧院、福建大剧院、大庆剧院、洛阳大剧院、CCTV演播剧场等等;环境噪声类包括北京远洋地产某项目、东莞板岭项目、深圳尖岗山项目、呼和浩特某铁路段隔声屏项目等等;体育馆类包括北京十一中学体育馆、奥运老山自行车馆、山东交通学院长清校区体育馆、山西奥体中心、乌兰巴托体育馆(援建)等等;还有多个音乐厅、地铁站、火车站及会展中心。

    在工业噪声方面,主要应用在机房的降噪模拟及方案设计的可行性分析。成功地应用在西气东输大型噪声治理工程的实际应用中。

(2)厂房共振模拟分析

    为避免厂房建筑设计与设备运行噪声产生共振,对压缩机厂房进行计算机共振模拟分析。

    在自由空间中有一面反射性的墙,一定频率的声音入射到此墙面上,产生反射,入射波与反射波形成“干涉”。即在入射波与反射波相位相同的位置上,振幅因相加而增大;在相位相反的位置上,振幅因相减而减小,形成了位置固定的波腹与波节,出现“驻波”。

    在自由声场中有两个平行的墙面,在两个墙面之间,也可以维持驻波状态,即第二个墙面产生的驻波的波腹与波节与第一个墙面产生的驻波的波腹与波节在位置上重合,这样,在两墙之间就产生“共振”。

    实际情况中,压缩机缸体撞击发出声音时,房间内的声能密度就会由于声源的频率不同而有强有弱,也就是说,厂房对不同的频率有不同的“响应”,厂房本身也会“共振”,也有共振频率(也称“固有频率”)。声源的频率与厂房的共振频率越接近,越易引起厂房的共振,这个频率的声能密度也就越强。

压缩机厂房低频共振频率分布

厂房频率共振示意图 

(3)空冷器CFD模拟与验证

概况

    在实际运行中,空冷机组排出的部分热风可能会回流到空冷机组入口,导致空冷机组进风温度升高,影响空冷机组性能。因此需要分析计算空冷机组的返混率。

空冷机组的进风中包含两部分气流,一部分是来自环境风,一部分是来自空冷机组出风短路流回的风量,返混率定义为出风短路流回风量占总进风量的体积百分比。

为了定量研究热回流现象对空冷器性能产生的影响,引入返混率的概念。在一般情况下,返混率可用来流风温度、空冷器入口空气温度、出口空气温度来表示,其数学表达式为:

式中:热回流返混率;

:空冷器入口空气温度;

:空冷器出口空气温度;

:来流风温度。

    当返混率为0时,,空冷器入口空气温度等于来流风温度,即空冷器的冷却性能完全不受热回流的影响;当返混率接近于1时,接近于,空冷器入口空气温度接近于出口风温,空冷器的冷却性能大大降低,当返混率不超过10%时,空冷器冷却性能较好。

数值模拟方法简介

    流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组,并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来,这样的数值模拟技术就是所谓的计算流体动力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)技术。自1974年以来,人们进行大量的CFD技术应用于建筑环境的模拟研究工作。相比模型实验等手段而言,数值模拟具有成本低、周期短、资料完备、易模拟真实条件等优点。如今,CFD技术已经在建筑环境和设备模拟中取得了很大的成就。有关CFD技术的内容可参考有关文献和专著。

    我们对室内外的空气流动进行模拟和分析所采用的软件是PHOENICS,该软件由国际公认的权威CFD技术研究机构英国帝国理工学院CHAM研究所开发,具有众多的湍流模型和数值差分格式。应用此软件,本系完成多个重大项目,并多次获得国家奖项。

数值计算技术