Aerodynamické zdroje hluku -kruhové klapky. Ing. Miroslav Kučera, Ph.D.

Transkript

1 Aerodynamické zdroje hluku kruhové klapky Ing. Miroslav Kučera, Ph.D.

2 Vytčení cílů Stanovit hladiny akustického výkonu vybraných vzduchotechnických klapek kruhového průřezu, resp. jejich soustav. Získané závislosti vztáhnout na bezrozměrná podobnostní čísla. Sestavit obecně platný výpočtový postup pro stanovení hladin akustického výkonu klapky, resp. jejich soustav. Stanovit tlakové parametry vybraných klapek. Uvést do vzájemné souvislosti akustické a tlakové parametry. Pokusit se nalézt řešení ke zlepšení regulační charakteristiky klapek.

3 Přehled variant měřených klapek a jejich kombinací Těsná klapka Regulační klapka Perforovaná klapka 35 % Perforovaná klapka 58 %

4 Přehled variant měřených klapek a jejich kombinací Plná klapka 35 % Plná klapka 58 % Klapka s otvorem 35 % Klapka s otvorem 58 %

5 Přehled kombinací VZ klapek Soustava dvou těsných klapek Soustava dvou perforovaných klapek 35 % Soustava dvou perforovaných klapek 58 % Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky

6 Jednotlivé fáze řešeného projektu Literární rešerše experimentální řešení. Sestavení experimentální trati pro měření akustických parametrů klapek. Zkušební měření na experimentální trati odhalení nedostatků. Optimalizace trati snížení hluku pozadí, atd. Měření akustických vlastností vybraných kruhových klapek. Sestavení experimentální trati pro měření tlakových parametrů klapek. Etapa vyhodnocení. Sestavení obecně platného výpočtového algoritmu pro stanovení L W. Návrh zlepšení regulační charakteristiky klapek.

7 Rozbor současného stavu poznání Teoretické práce Lighthill, Ribner, Pao a Lowson Obtížná aplikace, nedávají v oblasti nízkých Ma dobré výsledky většina autorů směřuje k experimentu Experimentální práce (nízká Ma) Putta, Reynolds, Fry Výpočtové vztahy pro přímé určení hladin akustického výkonu

8 Motivace k práci nebyl nalezen informační zdroj zabývající se popisem stanovení akustického výkonu, resp. spektrální hladiny akustického výkonu kruhové klapky výrobci klapek prezentují u svých výrobků data vztahující se ke konkrétním typům postrádající obecnější platnost

9 Trať pro měření akustických parametrů klapek Trať v lab. U12116

10 Trať pro měření akustických parametrů klapek

11 Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu

12 Sledované veličiny v systému

13 Vyhodnocení rychlosti proudění před klapkou Stanovení rychlosti na trysce instalované v tlakové nádrži princip odečet tlakového spádu na trysce π 2 mk, i = αtr εi dtr 2 pi ρtr, i 4 cílem je stanovit střední rychlost proudění v místě před klapkou kde α [] je průtokový součinitel trysky (α =1), ε [] expanzní součinitel trysky(ε=1). Stanovení rychlosti proudění anemometrem princip měření v jednom bodě, přepočet na základě popisu rychlostního profilu mocninnou funkcí, (ověření správnosti výpočtu provedením sondáže rychlostního profilu), cílem je stanovit střední rychlost proudění v místě před klapkou 1 1 n n y y w= wx 1 ws, i = wx, i 1 r r y = 0,76. r n = f (Re)

14 Vyhodnocení rychlosti proudění před klapkou 14,0 12,0 10,0 střední rychlost z anemometru střední rychlost z trysky ws [m/s] 8,0 6,0 4,0 2,0 0, čas t [s]

15 Měření akustických parametrů klapek Θ Jednotlivé měřené klapky byly jednolisté. Tloušťka listu klapky 2 mm (1 mm perforované typy). Průměr potrubí D = 175 mm, tlaková odolnost 0,1 MPa. Úhel natočení klapky měřen od osy potrubí (Θ = 0 úplné otevření). Nastavení jednotlivých úhlů rozděleno po 15 (od 0 do 90 ).

16 Metodika měření a vyhodnocení Podmínky měření navrženy v souladu s normou řady ČSN ISO Měřicí plocha kulového tvaru o poloměru r = 1 m. Měřicí aparatura Pulse B&K (4 kanály). Volba koncepce měření Měření v bezdozvukové komoře (vliv koncového odrazu není podstatný klapky jsou často součástí koncových elementů) Měření v potrubí

17 Metodika měření a vyhodnocení LWc,i [db] celý soubor výběr dat Re

18 Metodika měření a vyhodnocení LWc,i [db] celý soubor výběr dat Re

19 Metodika měření a vyhodnocení Celková hladina akustického výkonu kruhové klapky L = K log Re+ 10log S + K wc, i 1 p 2 Příklad: těsná klapka natočená pod úhlem 75 K 1 54,3 55,2 K 2 144,3 148 R 2 0,9821 0,9978 Spektrum hladiny akustického výkonu kruhové klapky L = L + K Wik, Wci, fik, L = K log w + 10 log S + K wa, i 1A s p 2A

20 Metodika měření a vyhodnocení 10,0 5,0 0,0 5,0 11 m/s 9 m/s 8 m/s Kf [db] 10,0 7 /ms 15,0 6 m/s 20,0 5 m/s 25,0 4 m/s 30,0 3 m/s 35,0 2 m/s 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh [] Sh f D = wci, = wsi, ( ς + 1) w ci, w 2 pki ci, = + wsi, ρsi,

21 Výsledky akustických měření Těsná klapka Potrubí LWc,i [db] Re

22 Těsná klapka LWc,i [db] Potrubí Re

23 0,0 Těsná klapka 5,0 10,0 14,6 m/s Těsná klapka Kf [db] 15,0 20,0 25,0 30,0 12,2 m/s 10,2 m/s 8,2 m/s Úhel natočení 0 35,0 6,4 m/s 40,0 45,0 4,8 m/s 50,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,0 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh [] 5,0 10,0 15,0 Úhel natočení 15 Kf [db] 20,0 25,0 30,0 12,7 m/s 11,4 m/s 9,5 m/s 7,6 m/s 5,8 m/s 4,1 m/s 35,0 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh []

24 0,0 Těsná klapka 5,0 10,0 10,3 m/s Těsná klapka Kf [db] 15,0 20,0 25,0 30,0 9,6 /ms 8,8 m/s 7,5 m/s 6 m/s 4,6 m/s 3,3 m/s Úhel natočení 30 35,0 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,500 0,0 1,000 1,500 K Sh +log Sh [] 5,0 10,0 Úhel natočení 45 Kf [db] 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 9,2 m/s 7,7 m/s 7 m/s 6 m/s 5 m/s 4 m/s 3,1 m/s 2,1 m/s 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh []

25 0,0 Těsná klapka 5,0 10,0 11,3 m/s 9,6 m/s Těsná klapka Kf [db] 15,0 20,0 25,0 30,0 8,4 m/s 7,1 /ms 6 m/s 5 m/s 4,1 m/s 3 m/s Úhel natočení 60 35,0 2 m/s 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 10,0 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh [] 5,0 0,0 5,0 11 m/s 9 m/s 8 m/s Úhel natočení 75 Kf [db] 10,0 7,1 /ms 15,0 6 m/s 20,0 5 m/s 25,0 4 m/s 30,0 3,1 m/s 35,0 2 m/s 40,0 1,500 1,000 0,500 0,000 0,500 1,000 1,500 K Sh +log Sh []

26 Výsledky akustických měření Těsná klapka Při malých úhlech natočení regulačního listu je klapka zdrojem tónových složek, které jsou způsobeny odtrháváním vírů na hraně regulačního listu. neinstalovat do potrubí klapku, která by byla za provozu nastavena na otevřenou polohu a neplnila svou funkci Při úhlech blízkých 75, nebo téměř před uzavřením je klapka zdrojem tónových složek, zvláště při vyšších rychlostech v potrubí. Příčina generace akustické energie je dána vyzařováním extrémně malými otvory.

27 Soustava dvou těsných klapek (A i B stejné) p = p1+ p2 ς = ς w w1 w2 ς ρ = ς1 ρ + ς2 ρ w 1 2 ς w w = ς1 2 2 L W 6 w w = f( w ) = 6 8 ( 2 ) LWc,i [db] Re

28 Soustava dvou těsných klapek Požadujemeli při vzájemné kombinaci dvou stejných těsných klapek snížení hlučnosti, je nutné nastavit první klapku umístěnou v proudu vzduchu na vyšší úhel. Tento jev je způsoben narušením rychlostního profilu v potrubí první klapkou, která má na vyzařovaný akustický výkon větší vliv.

29 Soustava dvou perforovaných klapek 35 % (A i B stejné) LWc,i [db] Re

30 Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 0 ) LWc,i [db] Potrubí Re

31 Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 90 ) LWc,i [db] Potrubí Re

32 Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (B 30 ) LWc,i [db] Re

33 Trať pro měření tlakových parametrů klapek

34 Trať pro měření tlakových parametrů klapek

35 Výsledky tlakových měření 80 k k V = p k z [] regulační klapka k k k k100 = ς100 ς ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 [] Jmenovitý průtok tzv. k k hodnota (průtokový součinitel) Vyjadřuje objemový průtok klapkou k k [m 3 /h] při definovaném rozdílu tlaků p k.

36 Průtočná charakteristika jednotlivých měřených klapek 1 těsná klapka regulační klapka 0,8 perforovaná klapka 35 % perforovaná klapka 58 % kk/kk100 [] 0,6 0,4 plná klapka 35 % plná klapka 58 % klapka s otvorem 35 % klapka s otvorem 58 % 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []

37 Průtočná charakteristika soustavy dvou těsných klapek 1 0,8 A0 A15 kk/kks [] 0,6 0,4 A30 A45 A60 0,2 A ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []

38 Průtočná char. soustavy dvou perf. klapek s perforací 35 % 1 0,8 A0 A15 kk/kks [] 0,6 0,4 0,2 A30 A45 A60 A75 A ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []

39 Průtočná char. soustavy klapky s perforací 35 % a těsné klapky 1 0,8 A0 A15 kk/kks [] 0,6 0,4 0,2 A30 A45 A60 A75 A ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []

40 Průtočná char. soustavy klapky s perforací 35 % a těsné klapky 1 0,8 B0 B15 kk/kks [] 0,6 0,4 B30 B45 B60 0,2 B ,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []

41 Vzájemná vazba akustických a tlakových měření Typ klapky Θ [ ] L Wc [db] w s = 3 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L Wc [db] w s = 6 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L Wc [db] w s = 9 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] w s = 3 m/s p k = 10 Pa L Wc [db] těsná klapka 46,8 60,3 34,4 66,9 27, ,8 42,7 regulační klapka 53 59, ,4 32, ,8 perforovaná klapka 35 % 59,8 59,4 44,4 65,8 42,2 39,4 perforovaná klapka 58 % 71, ,3 38,2 plná klapka 35 % 51,4 67,4 38,3 73,9 36,7 40,2 plná klapka 58 % 62,2 74,8 56,5 41,2 klapka s otvorem 35 % 61,7 66,2 44, ,5 38,2 klapka s otvorem 58 % 90 73,5 73,9 40

42 Vzájemná vazba akustických a tlakových měření Typ klapky Θ [ ] L WA [db] w s = 3 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L WA [db] w s = 6 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L WA [db] w s = 9 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] w s = 3 m/s p k = 10 Pa L WA [db] těsná klapka 46, ,4 56,7 27, ,8 27 regulační klapka ,3 32, ,9 perforovaná klapka 35 % 59, , ,2 23 perforovaná klapka 58 % 71,5 54,2 69,3 20,8 plná klapka 35 % 51,4 56,4 38,3 63,5 36,7 23,8 plná klapka 58 % 62,2 63,4 56,5 23,1 klapka s otvorem 35 % 61,7 58,4 44,7 63,7 42,5 25,8 klapka s otvorem 58 % 90 70,3 73,9 29

43 Vzájemná vazba akustických a tlakových měření Typ klapky Θ [ ] L Wc [db] w s = 3 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] w s = 6 m/s p k = 100 Pa L Wc [db] Θ [ ] w s = 9 m/s p k = 100 Pa L Wc [db] Θ [ ] w s = 12 m/s p k = 100 Pa L Wc [db] těsná klapka 46,8 60,3 34,3 67,4 27, ,6 76,8 soust. dvou těsných klapek 40,7 61,6 27,4 70,5 19,5 73,5 15,3 76,5 perforovaná klapka 35 % 59,8 59,4 44,4 65, ,7 soust. dvou perforovaných klapek 35 % 78,9 52,7 45,5 61,9 33,2 66, ,7 perforovaná klapka 58 % 71, ,2 66,7 soust. dvou perforovaných klapek 58 % 81,2 59,3 49,7 64, ,5 soust. perforovaná 35 % / těsná (A75) 43,6 58 soust. perforovaná 35 % / těsná (B15) 60 61,9 42,5 67, ,3

44 Vzájemná vazba akustických a tlakových měření Typ klapky Θ [ ] L WA [db] w s = 3 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L WA [db] w s = 6 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L WA [db] w s = 9 m/s p k = 100 Pa Θ [ ] L WA [db] w s = 12 m/s p k = 100 Pa těsná klapka 46, ,3 56,7 27, ,6 69 soust. dvou těsných klapek 40,7 54,8 27,4 62,2 19,5 65,3 15,3 69,2 perforovaná klapka 35 % 59, , ,7 soust. dvou perforovaných klapek 35 % 78, , , ,4 perforovaná klapka 58 % 71,5 54,2 52,2 62 soust. dvou perforovaných klapek 58 % 81,2 49,3 49, ,2 soust. perforovaná 35 % / těsná (A75) 43,6 48 soust. perforovaná 35 % / těsná (B15) 60 52,7 42,5 59, ,8

45 Naplnění stanovených cílů Stanovit hladiny akustického výkonu vybraných vzduchotechnických klapek kruhového průřezu, resp. jejich soustav při změnách základních parametrů proudění vzduchu. experimentální cestou byly stanoveny L Wc, L W1/3. Získané závislosti vztáhnout na bezrozměrná podobnostní čísla a dále sestavit obecně platný výpočtový postup pro stanovení hladin akustického výkonu klapky, resp. jejich soustav. Výsledkem jsou L Wc a tvary relativních spekter jednotlivých typů klapek vztažené na bezrozměrná podobnostní čísla Re, Sh zahrnující parametry proudění, rozměry klapky a vliv součinitele místní tlakové ztráty.

46 Naplnění stanovených cílů Stanovit tlakové parametry vybraných klapek. experimentální cestou byly stanoveny součinitele místní tlakové ztráty. Uvést do vzájemné souvislosti akustické a tlakové parametry. Cíl naplněn v sestaveném výpočtovém postupu, kde jsou akustické a tlakové parametry vzájemně propojeny. Tabulkovou formou je prezentováno vzájemné srovnání jednotlivých typů klapek z hlediska generace akustické energie pro shodné vstupní parametry.

47 Naplnění stanovených cílů Pokusit se nalézt řešení ke zlepšení regulační charakteristiky soustavy klapek sestávající ze dvou klapek s optimálním procentem perforace. Cíle dosaženo nalezením vhodné kombinace těsné klapky s klapkou perforovanou s perforací 35 %. Významného výsledku, kterého bylo dosaženo, je sestavení univerzálně použitelné experimentální tratě pro měření akustických parametrů elementů vzduchotechniky.

48 Literární prameny [1] Barron, R.: Industrial Noise Control and Acoustics. New York: Marcel Dekker, Inc., s. ISBN X. [2] Beranek, L. L.: Acoustics. New York: American Institute of Physics, Inc., s. ISBN X. [3] Beranek, L. L.: Snižování hluku. Praha: SNTL, 1965, 740 s. [4] Fry, A.: Noise Control in Building Services. Oxford: Pergamon Press, s. INSB [5] Hemzal, K.: Aerodynamika větrání. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. ISBN [6] Hemzal, K., Laboutka, K.: Regulace klimatizačních a vytápěcích zařízení. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. [7] Chyský, J., Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Brno: Bolit, 1993, 490 s. Technický průvodce, 31 ISBN: [8] Kučera, M., Nový, R.: Reduction of Noise Generated by Damper. In The Eleventh Internation Congress on Sound and Vibration. St. Petersburg: The International Institute of Acoustics and Vibration, 2004, s [9] Kučera, M., Nový, R.: Aerodynamic Sound by Low Mach Numbers. In: Workshop 2005, Prague: Czech Technical University. 2005, s ISBN [10] Kučera, M., Mareš, L., Votlučka, J.: Experimental Equipment for Checking Sources of Aerodynamic Sound. In: Workshop 2005, Prague: Czech Technical University. 2005, s ISBN [11] Kučera, m., Nový, r.: Noise generated by control dampers. In: Proceedings of the Fifteenth International Congress on Sound and Vibration. Daejeon: The International Institute of Acoustics and Vibration, 2008, ISBN

49 Literární prameny [12] Kučera, M., Nový, R.: Noise Generated by Control Dampers. In: Proceedings of the Fifteenth International Congress on Sound and Vibration. Daejeon: the International Institute of Acoustics and Vibration, 2008, ISBN [13] Lighthill M. J.: On Sound Generated Aerodynamically, Part I, General Theory. Proceedings of the Royal Society, sev. Vol. A. 211, No. 1107, 1952, pp [14] Lighthill M. J.: On Sound Generated Aerodynamically, Part II, Turbulence as a Source of Sound, Proceedings of the Royal Society, sev. Vol. A. 222, No. 1148, 1954, pp [15] Matuška, T. a kol.: Experimentální metody v technice prostředí. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. [16] Nosek, P.: Hluk vzduchotechnických elementů [diplomová práce]. Praha: ČVUT v Praze Fakulta strojní Ústav techniky prostředí, s. [17] Novák, J.: Strouhalovo číslo v několika jednoduchých soustavách. In: Strojírenství 28, 1978,číslo 1, s [18] Nový, R.: Hluk a chvění. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. ISBN [19] Nový, R., Kučera, M.: Zařízení pro redukci tlaku plynu při nízké hlučnosti Užitný vzor. Čvut v Praze, Ústav techniky prostředí. Praha, Úřad průmyslového vlastnictví, číslo zápisu 19437, [20] Nový, R., Kučera, M.: Redukce tlaku při nízké hlučnosti. In: VVI, 2009, ročník 18, číslo 4, s ISSN [21] Putta, L.: Optimalizace distribuce vzduchu [Disertační práce]. Praha, s. ČVUT v Praze. Fakulta strojní [22] Ribner H. S.: Aerodynamic Sound from Flouid Dilatations. Toronto: UTIA Report No. 86, [23] Reynolds, D. D., Bledsoe, J. M.: Algoritmus for HVAC acoustics. Georgia: ASHRAE, Inc., ISBN Přejít na první stránku