热风炉阀声振耦合有限元分析
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噪 音值 ， 以期 通过 改变 结 构 以达 到 减 噪 的效 果 ， 并 期 望此计 算 结果 能对 热风 炉 阀 减 噪有 一定 的参 考
在 流体 和结 构 耦 合 的 位 置 处 ， 结构法线方 向 的振动 速度 与 流 体 法 线 方 向 的振 动 速 度 相 同 ， 在
流 固耦 合交 界 面 处 ， 结 构 的振 动 速 度 可 以 看 作 是 声 音 的附加 速 度 输 入 ， 这 时声 学方 程 变 化 为 如 下 方程（ ３ ） 所示 ：
（ ＋ －Ｏ ） 。 ）・｛ Ｐ Ｍｃ ） 一｛ ）（ ３ ）
意 义．
１ 声 振 耦 合 有 限元 分 析 理 论 基 础
１ ． １ 声学 Ｈｅ ｌ ｍｈ ｏ ｌ ｔ ｚ 波 动方 程
将方程（ ２ ） 、 （ ３ ） 写成 一 个 矩 阵 的形 式 ， 并进 行 耦合 处理 ， 得到耦 合 声学方 程 ：
第３ ５卷 第 １ ２ 期
２ ０ １ ３年 １ ２月
武
汉
工
程
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ３５ Ｎｏ ．１ ２
Ｄｅ ｃ ． ２ Ｏ１ ３
Ｊ ． Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ． Ｔｅ ｃ ｈ ．
文章 编 号 ： １ ６ ７ ４— ２ ８ ６ ９ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２— ０ ０ ７ ４— ０ ５
热风炉 阀声振耦合有限元分析
郑贤中 ， 於潜军， 徐小 明
（ 武 汉工程 大 学机 电工程 学 院， 湖北 武汉 ４ ３ Ｏ ２ Ｏ ５ ）
摘 要： 为 了减 小 热 风炉 阀在 运 行 时 噪 音对 周 围 居 民 的影 响 ， 运 用 有 限元 分 析 软 件 ＡＮＳ Ｙ Ｓ对 某 热 风 炉 阀结
关键 词 ： 热风炉 ； 声 固耦 合 ； 消音 ； 声 压
中图分类号 ： ０ ４ ８ ２ ． １ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ — ２ ８ ６ ９ ． ２ ０ １ ３ ． １ ２ ． ０ １ ５
，
０ 引 言
式（ １ ） 中： ｋ 一２ ｚ ｒ ｆ ／ ｃ为 波 数 ； 一 ２ １ ｒ ｆ为 角 频 率 ； ｆ
为频率 ； 为 对应 的波 长 ； 一
＋
＋ 为
需 要用 阀或 阀组 的开 启 或关 闭． 其 中 阀在 启 闭 瞬
间产 生 巨大 的 噪音 ， 而 噪 声 又 已成 为 威 胁 人 类 生
工况下 钢铁 的冶 炼． 为 了实 现 自由调 节 气 流 目的 ，
方 程 的解 ， 而 声 学 Ｈｅ ｌ ｍｈ ｏ ｌ ｔ ｚ方 程 是 结 合 了声 波
的连续 方程 、 运 动方程 和物 态方程 推 导得来 的［ ７ ］ ．
ｐ（ ｘ， ， ｚ ） 一是 。 ｐ（ ｘ， Ｙ， ） ＝ ＝ ＝ －ｊ ｐ ｏ ｃ ｏ ｑ （ ｘ， Ｙ， ｚ ） （ １ ）
质量． １ ． ２ 耦 合声 学有 限元 方程 声 音作用 于结 构上 的声 压 载荷 可 以看 作 是 附
存 的三大公 害 之一 ， 噪 声 对 人 们 的心 理 和生 理 都 有严 重 的影响 ． 故需 要对 阀组 进 行声 学 仿 真分 析 ， 以期 能得 到 阀组 的 噪音 值 ， 从 而 判 定 噪声 危 害 的
加 的法 线载荷 ， 可 得到 动力学 方程 如下 ：
（ Ｋ ＋ ｃ －Ｃ Ｏ 。 Ｍｓ ）・｛ Ｕ ） ＋Ｋ ｛ ｐ ） 一｛ Ｆ ） （ ２ ）
分析， 主 要 从 模 态 振 型 和声 固耦 合 等 方 面 对 阀
体 和 阀周 围 区域 流 体 进 行 分 析 ． 重 点计 算 了 阀体 及 阀体周 围 的声 场 ， 得 到 了 阀体 周 围 一 定 区 域 内
拉 普 拉 斯 算 子； 一 ＾ ／ ７ 一 Ｐ ｏ 为 声波 在 流 体 介 质中 的
Ｖ
传播 速 度 ； （ ｚ， ， ） ＝ ＝ ＝ Ｐ ｏ （ ｚ ， ， ｚ ） ＋Ｐ （ ｚ， Ｙ ， ｚ ） 为 流体 的声 压 ； Ｐ 。 （ ｚ ， ， ｚ ） 为 初 始 位 置 流体 声 压 ； ｐ （ ｘ， Ｙ ， ｚ ） 一ｌ Ｄ ｏ （ ｚ ， Ｙ ， ） ＋ｌ Ｄ （ ， Ｙ ， ） 为 流 体 的 密 度； （ ｚ， ， ｚ ） 为静态 声压 ； ｑ （ ｚ， Ｙ ， ２ ） 一ｑ ｏ （ ｚ， Ｙ ， ） ＋ｑ （ ｚ ， ， ｚ ） 为 附加 质量 ； ｑ 。 （ ｚ ， ， ｚ ） 为 初 始
热 风炉 是钢铁 冶 炼设 备 高 炉 的一 个 重要 组 成 部 分ｌ ＿ 】 ］ ． 热风 炉 的主要 作 用 是把 鼓 风加 热 到要 求 的温度 ， 用 以提 高高 炉 的效 益 和效 率． 但 是 在 冶炼 过程 中经 常要 调 节 气 体 流量 的 大小 ， 以配 合 各 种
程度 ， 而该 噪声 产生 的主要 原 因 是振 动 ， 又 由于 阀
或 阀组在 此 过 程 中 的使 用 频 率 高 ， 属 于 易 发 生损
坏失 效 的部件 ， 故 对 热风 炉 阀做 声 固耦 合 分 析［ ３ ］
对减 噪 和强度 校核 有着 重要 的实 际意 义．
笔者 以某 热风 炉 阀为 研究 对 象 进 行声 固耦 合
构 及 周 围声 场 进 行 分 析 ． 在 流 体运 动 管 道 声 场 、 小 孔喷 注消音等 相关理论 基础上 ， 百度文库立 了结 构、 流体、 声 场 有
限元 模 型 ． 通过 建 模 、 划 分 网格 、 加 载、 求解 以及后 处理等 步骤 ， 对 该 阀体 及 附 近 区 域 流 体 进 行 声 振 耦 合 计 算 分析． 结 果表明 ： 带孔板结构在孑 Ｌ 径为 ４ ｍｍ 时 ， 厚度 为 ２ ０ ｍｍ 时 ， 该 阀体 的结构 形式 的消音效 果 比到较理 想， 能为热风炉阀减噪设计提供一定的参考依据．
在 流体 和结 构 耦 合 的 位 置 处 ， 结构法线方 向 的振动 速度 与 流 体 法 线 方 向 的振 动 速 度 相 同 ， 在
流 固耦 合交 界 面 处 ， 结 构 的振 动 速 度 可 以 看 作 是 声 音 的附加 速 度 输 入 ， 这 时声 学方 程 变 化 为 如 下 方程（ ３ ） 所示 ：
（ ＋ －Ｏ ） 。 ）・｛ Ｐ Ｍｃ ） 一｛ ）（ ３ ）
意 义．
１ 声 振 耦 合 有 限元 分 析 理 论 基 础
１ ． １ 声学 Ｈｅ ｌ ｍｈ ｏ ｌ ｔ ｚ 波 动方 程
将方程（ ２ ） 、 （ ３ ） 写成 一 个 矩 阵 的形 式 ， 并进 行 耦合 处理 ， 得到耦 合 声学方 程 ：
第３ ５卷 第 １ ２ 期
２ ０ １ ３年 １ ２月
武
汉
工
程
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ３５ Ｎｏ ．１ ２
Ｄｅ ｃ ． ２ Ｏ１ ３
Ｊ ． Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ． Ｔｅ ｃ ｈ ．
文章 编 号 ： １ ６ ７ ４— ２ ８ ６ ９ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２— ０ ０ ７ ４— ０ ５
热风炉 阀声振耦合有限元分析
郑贤中 ， 於潜军， 徐小 明
（ 武 汉工程 大 学机 电工程 学 院， 湖北 武汉 ４ ３ Ｏ ２ Ｏ ５ ）
摘 要： 为 了减 小 热 风炉 阀在 运 行 时 噪 音对 周 围 居 民 的影 响 ， 运 用 有 限元 分 析 软 件 ＡＮＳ Ｙ Ｓ对 某 热 风 炉 阀结
关键 词 ： 热风炉 ； 声 固耦 合 ； 消音 ； 声 压
中图分类号 ： ０ ４ ８ ２ ． １ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ — ２ ８ ６ ９ ． ２ ０ １ ３ ． １ ２ ． ０ １ ５
，
０ 引 言
式（ １ ） 中： ｋ 一２ ｚ ｒ ｆ ／ ｃ为 波 数 ； 一 ２ １ ｒ ｆ为 角 频 率 ； ｆ
为频率 ； 为 对应 的波 长 ； 一
＋
＋ 为
需 要用 阀或 阀组 的开 启 或关 闭． 其 中 阀在 启 闭 瞬
间产 生 巨大 的 噪音 ， 而 噪 声 又 已成 为 威 胁 人 类 生
工况下 钢铁 的冶 炼． 为 了实 现 自由调 节 气 流 目的 ，
方 程 的解 ， 而 声 学 Ｈｅ ｌ ｍｈ ｏ ｌ ｔ ｚ方 程 是 结 合 了声 波
的连续 方程 、 运 动方程 和物 态方程 推 导得来 的［ ７ ］ ．
ｐ（ ｘ， ， ｚ ） 一是 。 ｐ（ ｘ， Ｙ， ） ＝ ＝ ＝ －ｊ ｐ ｏ ｃ ｏ ｑ （ ｘ， Ｙ， ｚ ） （ １ ）
质量． １ ． ２ 耦 合声 学有 限元 方程 声 音作用 于结 构上 的声 压 载荷 可 以看 作 是 附
存 的三大公 害 之一 ， 噪 声 对 人 们 的心 理 和生 理 都 有严 重 的影响 ． 故需 要对 阀组 进 行声 学 仿 真分 析 ， 以期 能得 到 阀组 的 噪音 值 ， 从 而 判 定 噪声 危 害 的
加 的法 线载荷 ， 可 得到 动力学 方程 如下 ：
（ Ｋ ＋ ｃ －Ｃ Ｏ 。 Ｍｓ ）・｛ Ｕ ） ＋Ｋ ｛ ｐ ） 一｛ Ｆ ） （ ２ ）
分析， 主 要 从 模 态 振 型 和声 固耦 合 等 方 面 对 阀
体 和 阀周 围 区域 流 体 进 行 分 析 ． 重 点计 算 了 阀体 及 阀体周 围 的声 场 ， 得 到 了 阀体 周 围 一 定 区 域 内
拉 普 拉 斯 算 子； 一 ＾ ／ ７ 一 Ｐ ｏ 为 声波 在 流 体 介 质中 的
Ｖ
传播 速 度 ； （ ｚ， ， ） ＝ ＝ ＝ Ｐ ｏ （ ｚ ， ， ｚ ） ＋Ｐ （ ｚ， Ｙ ， ｚ ） 为 流体 的声 压 ； Ｐ 。 （ ｚ ， ， ｚ ） 为 初 始 位 置 流体 声 压 ； ｐ （ ｘ， Ｙ ， ｚ ） 一ｌ Ｄ ｏ （ ｚ ， Ｙ ， ） ＋ｌ Ｄ （ ， Ｙ ， ） 为 流 体 的 密 度； （ ｚ， ， ｚ ） 为静态 声压 ； ｑ （ ｚ， Ｙ ， ２ ） 一ｑ ｏ （ ｚ， Ｙ ， ） ＋ｑ （ ｚ ， ， ｚ ） 为 附加 质量 ； ｑ 。 （ ｚ ， ， ｚ ） 为 初 始
热 风炉 是钢铁 冶 炼设 备 高 炉 的一 个 重要 组 成 部 分ｌ ＿ 】 ］ ． 热风 炉 的主要 作 用 是把 鼓 风加 热 到要 求 的温度 ， 用 以提 高高 炉 的效 益 和效 率． 但 是 在 冶炼 过程 中经 常要 调 节 气 体 流量 的 大小 ， 以配 合 各 种
程度 ， 而该 噪声 产生 的主要 原 因 是振 动 ， 又 由于 阀
或 阀组在 此 过 程 中 的使 用 频 率 高 ， 属 于 易 发 生损
坏失 效 的部件 ， 故 对 热风 炉 阀做 声 固耦 合 分 析［ ３ ］
对减 噪 和强度 校核 有着 重要 的实 际意 义．
笔者 以某 热风 炉 阀为 研究 对 象 进 行声 固耦 合
构 及 周 围声 场 进 行 分 析 ． 在 流 体运 动 管 道 声 场 、 小 孔喷 注消音等 相关理论 基础上 ， 百度文库立 了结 构、 流体、 声 场 有
限元 模 型 ． 通过 建 模 、 划 分 网格 、 加 载、 求解 以及后 处理等 步骤 ， 对 该 阀体 及 附 近 区 域 流 体 进 行 声 振 耦 合 计 算 分析． 结 果表明 ： 带孔板结构在孑 Ｌ 径为 ４ ｍｍ 时 ， 厚度 为 ２ ０ ｍｍ 时 ， 该 阀体 的结构 形式 的消音效 果 比到较理 想， 能为热风炉阀减噪设计提供一定的参考依据．