Aerodynamické zdroje hluku kruhové klapky Ing. Miroslav Kučera, Ph.D.
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.
Přehled variant měřených klapek a jejich kombinací Těsná klapka Regulační klapka Perforovaná klapka 35 % Perforovaná klapka 58 %
Přehled variant měřených klapek a jejich kombinací Plná klapka 35 % Plná klapka 58 % Klapka s otvorem 35 % Klapka s otvorem 58 %
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
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.
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
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
Trať pro měření akustických parametrů klapek Trať v lab. U12116
Trať pro měření akustických parametrů klapek
Zařízení pro regulaci průtoku vzduchu
Sledované veličiny v systému
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)
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 0,0 0 100 200 300 čas t [s]
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 ).
Metodika měření a vyhodnocení Podmínky měření navrženy v souladu s normou řady ČSN ISO 3740. 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
Metodika měření a vyhodnocení 120 110 LWc,i [db] 100 90 celý soubor výběr dat 80 70 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
Metodika měření a vyhodnocení 120 110 LWc,i [db] 100 90 celý soubor výběr dat 80 70 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
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
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,
Výsledky akustických měření Těsná klapka 120 110 Potrubí 0 15 30 45 60 75 100 90 LWc,i [db] 80 70 60 50 40 15 35 55 75 95 115 135 155 175 10 3 Re
Těsná klapka 120 110 100 90 LWc,i [db] 80 70 60 50 40 30 Potrubí 0 15 30 45 60 75 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
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 []
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 []
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 []
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.
Soustava dvou těsných klapek (A i B stejné) p = p1+ p2 ς = ς 1 2 2 2 2 w w1 w2 ς ρ = ς1 ρ + ς2 ρ 2 2 2 w 1 2 ς w w = ς1 2 2 L W 6 w w = f( w ) = 6 8 ( 2 ) 6 6 120 110 100 90 LWc,i [db] 80 70 60 50 40 30 0 15 30 45 60 75 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
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.
Soustava dvou perforovaných klapek 35 % (A i B stejné) 90 80 70 LWc,i [db] 60 50 40 30 0 15 30 45 60 75 90 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 0 ) 120 110 100 90 LWc,i [db] 80 70 60 50 40 30 Potrubí 0 15 30 45 60 75 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 90 ) 120 110 100 90 LWc,i [db] 80 70 60 50 40 30 Potrubí 0 15 30 45 60 75 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (B 30 ) 90 80 70 LWc,i [db] 60 50 40 30 0 15 30 45 60 75 90 20 15 35 55 75 95 115 135 10 3 Re
Trať pro měření tlakových parametrů klapek
Trať pro měření tlakových parametrů klapek
Výsledky tlakových měření 80 k k V = p k 70 60 50 z [] 40 30 regulační klapka k k k k100 = ς100 ς 20 10 0 0 0,2 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.
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 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []
Průtočná charakteristika soustavy dvou těsných klapek 1 0,8 A0 A15 kk/kks [] 0,6 0,4 A30 A45 A60 0,2 A75 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []
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 A90 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []
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 A90 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []
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 B75 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q 100 []
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 75 26,8 42,7 regulační klapka 53 59,2 44 70,4 32,4 70 30 38,8 perforovaná klapka 35 % 59,8 59,4 44,4 65,8 42,2 39,4 perforovaná klapka 58 % 71,5 62 69,3 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 44,7 73 42,5 38,2 klapka s otvorem 58 % 90 73,5 73,9 40
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 46,8 50 34,4 56,7 27,8 65 26,8 27 regulační klapka 53 47 44 59,3 32,4 60 30 24,9 perforovaná klapka 35 % 59,8 51 44,4 57 42,2 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
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 27,7 75 21,6 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 65,8 35 69,7 soust. dvou perforovaných klapek 35 % 78,9 52,7 45,5 61,9 33,2 66,5 26 70,7 perforovaná klapka 58 % 71,5 62 52,2 66,7 soust. dvou perforovaných klapek 58 % 81,2 59,3 49,7 64,3 36 68,5 soust. perforovaná 35 % / těsná (A75) 43,6 58 soust. perforovaná 35 % / těsná (B15) 60 61,9 42,5 67,8 29 72,3
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 46,8 50 34,3 56,7 27,7 65 21,6 69 soust. dvou těsných klapek 40,7 54,8 27,4 62,2 19,5 65,3 15,3 69,2 perforovaná klapka 35 % 59,8 51 44,4 57 35 62,7 soust. dvou perforovaných klapek 35 % 78,9 40 45,5 51 33,2 60 26 67,4 perforovaná klapka 58 % 71,5 54,2 52,2 62 soust. dvou perforovaných klapek 58 % 81,2 49,3 49,7 55 36 63,2 soust. perforovaná 35 % / těsná (A75) 43,6 48 soust. perforovaná 35 % / těsná (B15) 60 52,7 42,5 59,3 29 65,8
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.
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.
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.
Literární prameny [1] Barron, R.: Industrial Noise Control and Acoustics. New York: Marcel Dekker, Inc., 2003. 534 s. ISBN 082470701X. [2] Beranek, L. L.: Acoustics. New York: American Institute of Physics, Inc.,1988. 491 s. ISBN 0 88318494X. [3] Beranek, L. L.: Snižování hluku. Praha: SNTL, 1965, 740 s. [4] Fry, A.: Noise Control in Building Services. Oxford: Pergamon Press, 1988. 441 s. INSB 008 0340679. [5] Hemzal, K.: Aerodynamika větrání. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2002. 80 s. ISBN 800102398 2. [6] Hemzal, K., Laboutka, K.: Regulace klimatizačních a vytápěcích zařízení. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1989. 218 s. [7] Chyský, J., Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Brno: Bolit, 1993, 490 s. Technický průvodce, 31 ISBN: 8090157408. [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. 3097 3104. [9] Kučera, M., Nový, R.: Aerodynamic Sound by Low Mach Numbers. In: Workshop 2005, Prague: Czech Technical University. 2005, s. 602 603. ISBN 8001032019. [10] Kučera, M., Mareš, L., Votlučka, J.: Experimental Equipment for Checking Sources of Aerodynamic Sound. In: Workshop 2005, Prague: Czech Technical University. 2005, s. 620 621. ISBN 8001032019. [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 9788996128410.
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 9788996128410. [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. 564 578. [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. 1 32. [15] Matuška, T. a kol.: Experimentální metody v technice prostředí. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2005. 200 s. [16] Nosek, P.: Hluk vzduchotechnických elementů [diplomová práce]. Praha: ČVUT v Praze Fakulta strojní Ústav techniky prostředí, 2010. 110 s. [17] Novák, J.: Strouhalovo číslo v několika jednoduchých soustavách. In: Strojírenství 28, 1978,číslo 1, s. 21 24. [18] Nový, R.: Hluk a chvění. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2000. 389 s. ISBN 80022463. [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, 2009. [20] Nový, R., Kučera, M.: Redukce tlaku při nízké hlučnosti. In: VVI, 2009, ročník 18, číslo 4, s. 175 179. ISSN 00441989. [21] Putta, L.: Optimalizace distribuce vzduchu [Disertační práce]. Praha, 2000. 156 s. ČVUT v Praze. Fakulta strojní [22] Ribner H. S.: Aerodynamic Sound from Flouid Dilatations. Toronto: UTIA Report No. 86, 1962. [23] Reynolds, D. D., Bledsoe, J. M.: Algoritmus for HVAC acoustics. Georgia: ASHRAE, Inc., 1991. ISBN 0910110751. Přejít na první stránku