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 LW. • 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
kde α [-] je průtokový součinitel trysky (α =1), mk ,i = α tr ⋅ ε i ⋅ ⋅ dtr2 ⋅ 2 ⋅ ∆pi ⋅ ρtr ,i ε [-] expanzní součinitel trysky(ε=1). 4 → cílem je stanovit střední rychlost proudění v místě před klapkou
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
⎛ w = wx ⋅ ⎜1 − ⎝
1 n
y⎞ ⎛ y⎞ ⇒ = ⋅ w w s ,i x ,i ⎜ 1 − ⎟ ⎟ r⎠ ⎝ r⎠
1 n
y = 0,76. r
n = f (Re)
Vyhodnocení rychlosti proudění před klapkou
14,0 12,0 střední rychlost z anemometru
ws [m/s]
10,0
střední rychlost z trysky
8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0
100
200 čas t [s]
300
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
LWc,i [dB]
110
100
90 celý soubor
výběr dat
80
70 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Metodika měření a vyhodnocení
120
LWc,i [dB]
110
100
90 celý soubor
výběr dat
80
70 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Metodika měření a vyhodnocení Celková hladina akustického výkonu kruhové klapky
Lwc ,i = K1 ⋅ log Re+ 10 log S p + K 2 Příklad: těsná klapka natočená pod úhlem 75° K1
K2
R2
54,3
-144,3
0,9821
55,2
-148
0,9978
Spektrum hladiny akustického výkonu kruhové klapky
LW ,ik = LWc ,i + K f ,ik LwA,i = K1 A ⋅ log ws + 10 log S p + K 2 A
Metodika měření a vyhodnocení
Kf [dB]
10,0 5,0
11 m/s
0,0
9 m/s
-5,0
8 m/s
-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
KSh +log Sh [-]
f ⋅D Sh = w c ,i
wc ,i = ws ,i ⋅ ( ς + 1)
wc ,i =
2 ⋅ ∆pki
ρ s ,i
+ ws ,i
Výsledky akustických měření Těsná klapka 120 110
Potrubí
0°
15°
30°
45°
60°
75°
100
LWc,i [dB]
90 80 70 60 50 40 15
35
55
75
95 3
10 Re
115
135
155
175
Těsná klapka
120 110 100
LWc,i [dB]
90 80 70 60 50 40 Potrubí
30
0°
15°
30°
45°
60°
75°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Těsná klapka
0,0
-10,0
14,6 m/s
-15,0
12,2 m/s
-20,0
10,2 m/s
-25,0 -30,0
8,2 m/s
-35,0
6,4 m/s
-40,0
Těsná klapka Úhel natočení 0°
4,8 m/s
-45,0 -50,0 -1,500
-1,000
-0,500
0,000
0,0 0,500
KSh +log Sh [-]
1,000
1,500
-5,0 12,7 m/s
-10,0
11,4 m/s
-15,0
Úhel natočení 15°
Kf [dB]
Kf [dB]
-5,0
9,5 m/s
-20,0
7,6 m/s
-25,0
5,8 m/s 4,1 m/s
-30,0 -35,0 -40,0 -1,500
-1,000
-0,500
0,000 KSh +log Sh [-]
0,500
1,000
1,500
Těsná klapka
0,0 -5,0 -10,0
10,3 m/s 9,6 /ms
Úhel natočení 30°
8,8 m/s -20,0
7,5 m/s
-25,0
6 m/s 4,6 m/s
-30,0
3,3 m/s
-35,0 -40,0 -1,500
-1,000
-0,500
0,000 KSh +log Sh [-]
0,0
0,500
1,000
1,500
-5,0
9,2 m/s 7,7 m/s
-10,0 Kf [dB]
Kf [dB]
-15,0
Těsná klapka
Úhel natočení 45°
7 m/s
-15,0
6 m/s
-20,0
5 m/s
-25,0
4 m/s 3,1 m/s
-30,0
2,1 m/s
-35,0 -40,0 -1,500
-1,000
-0,500
0,000 KSh +log Sh [-]
0,500
1,000
1,500
Těsná klapka
0,0 -5,0
9,6 m/s 8,4 m/s
-15,0
Úhel natočení 60°
7,1 /ms
-20,0
6 m/s 5 m/s
-25,0
4,1 m/s -30,0
3 m/s 2 m/s
-35,0 -40,0 -1,500
-1,000
-0,500
Úhel natočení 75°
0,000
0,500 10,0
KSh +log Sh [-]
5,0
11 m/s
0,0
9 m/s
-5,0
8 m/s
Kf [dB]
Kf [dB]
Těsná klapka
11,3 m/s
-10,0
1,000
1,500
-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 KSh +log Sh [-]
0,500
1,000
1,500
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) ς1 = ς 2
∆p = ∆p1 + ∆p2
w ς w2 w1 = ⋅ ≈ ς1 2 2
w12 w2 2 w2 ς ⋅ ⋅ ρ = ς1 ⋅ ⋅ ρ +ς2 ⋅ ⋅ρ 2 2 2
LW = f ( w ) ≈ 6
120 110 100
LWc,i [dB]
90 80 70 60 50 40 30
0°
15°
30°
45°
60°
75°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
w6
( 2)
6
w6 = 8
Soustava dvou těsných klapek
„Požadujeme-li 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
LWc,i [dB]
70
60
50
40
0°
30
15°
30°
45°
60°
75°
90°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 0°)
120 110 100
LWc,i [dB]
90 80 70 60 50 40 30
Potrubí
0°
15°
30°
45°
60°
75°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (A 90°)
120 110 100
LWc,i [dB]
90 80 70 60 50 40 30
Potrubí
0°
15°
30°
45°
60°
75°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Soustava perforované klapky 35 % a těsné klapky (B 30°)
90
80
LWc,i [dB]
70
60
50
40
0°
30
15°
30°
45°
60°
75°
90°
20 15
35
55
75 3
10 Re
95
115
135
Trať pro měření tlakových parametrů klapek
Trať pro měření tlakových parametrů klapek
Výsledky tlakových měření 80 70
V kk = ∆pk
60
z [-]
50 40 regulační klapka
30
kk ς = 100 kk 100 ς
20 10 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q/Q 100 [-]
Jmenovitý průtok tzv. kk hodnota (průtokový součinitel) Vyjadřuje objemový průtok klapkou kk [m3/h] při definovaném rozdílu tlaků ∆pk.
1
Průtočná charakteristika jednotlivých měřených klapek
1
kk /kk100 [-]
0,8
0,6
těsná klapka
regulační klapka
perforovaná klapka 35 %
perforovaná klapka 58 %
plná klapka 35 %
plná klapka 58 %
klapka s otvorem 35 %
klapka s otvorem 58 %
0,4
0,2
0 0
0,2
0,4
0,6 Q/Q 100 [-]
0,8
1
Průtočná charakteristika soustavy dvou těsných klapek
1 A0
kk/kks [-]
0,8
A15 A30
0,6
A45 0,4
A60 A75
0,2
0 0
0,2
0,4
0,6 Q/Q 100 [-]
0,8
1
Průtočná char. soustavy dvou perf. klapek s perforací 35 %
1 A0 A15
0,8
kk /kks [-]
A30 0,6
A45 A60
0,4
A75 A90
0,2
0 0
0,2
0,4
0,6 Q/Q 100 [-]
0,8
1
Průtočná char. soustavy klapky s perforací 35 % a těsné klapky
1 A0 A15
0,8
kk /kks [-]
A30 0,6
A45 A60
0,4
A75 A90
0,2
0 0
0,2
0,4
0,6 Q/Q 100 [-]
0,8
1
Průtočná char. soustavy klapky s perforací 35 % a těsné klapky
1 B0
kk /kks [-]
0,8
B15 B30
0,6
B45 0,4
B60 B75
0,2
0 0
0,2
0,4
0,6 Q/Q 100 [-]
0,8
1
Vzájemná vazba akustických a tlakových měření Θ [°] Typ klapky
těsná klapka regulační klapka
LWc [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 100 Pa
46,8
60,3
53
59,2
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 6 m/s ∆pk = 100 Pa
34,4 44
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 9 m/s ∆pk = 100 Pa
66,9
27,8
75
70,4
32,4
70
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 10 Pa
26,8 30
42,7 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 Θ [°] Typ klapky
těsná klapka regulační klapka
LWA [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 6 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 9 m/s ∆pk = 100 Pa
46,8
50
34,4
56,7
27,8
53
47
44
59,3
32,4
65 60
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 10 Pa
26,8 30
27 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 Θ [°] Typ klapky
LWc [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 6 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 9 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWc [dB]
ws = 12 m/s ∆pk = 100 Pa
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 Θ [°] Typ klapky
LWA [dB]
ws = 3 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 6 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 9 m/s ∆pk = 100 Pa
Θ [°]
LWA [dB]
ws = 12 m/s ∆pk = 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 LWc, LW1/3. • 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 LWc 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] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]
Barron, R.: Industrial Noise Control and Acoustics. New York: Marcel Dekker, Inc., 2003. 534 s. ISBN 0-8247-0701-X. Beranek, L. L.: Acoustics. New York: American Institute of Physics, Inc.,1988. 491 s. ISBN 088318-494-X. Beranek, L. L.: Snižování hluku. Praha: SNTL, 1965, 740 s. Fry, A.: Noise Control in Building Services. Oxford: Pergamon Press, 1988. 441 s. INSB 0-08034067-9. Hemzal, K.: Aerodynamika větrání. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2002. 80 s. ISBN 80-01-023982. Hemzal, K., Laboutka, K.: Regulace klimatizačních a vytápěcích zařízení. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1989. 218 s. Chyský, J., Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Brno: Bolit, 1993, 490 s. Technický průvodce, 31 ISBN: 8-090-15740-8. 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. Kučera, M., Nový, R.: Aerodynamic Sound by Low Mach Numbers. In: Workshop 2005, Prague: Czech Technical University. 2005, s. 602 – 603. ISBN 80-01-03201-9. 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 80-01-03201-9. 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 978-89-961284-1-0.
Literární prameny [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23]
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 978-89-961284-1-0. 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. 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. Matuška, T. a kol.: Experimentální metody v technice prostředí. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2005. 200 s. Nosek, P.: Hluk vzduchotechnických elementů [diplomová práce]. Praha: ČVUT v Praze Fakulta strojní Ústav techniky prostředí, 2010. 110 s. Novák, J.: Strouhalovo číslo v několika jednoduchých soustavách. In: Strojírenství 28, 1978,číslo 1, s. 21 – 24. Nový, R.: Hluk a chvění. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2000. 389 s. ISBN 80-02246-3. 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. Nový, R., Kučera, M.: Redukce tlaku při nízké hlučnosti. In: VVI, 2009, ročník 18, číslo 4, s. 175179. ISSN 0044-1989. Putta, L.: Optimalizace distribuce vzduchu [Disertační práce]. Praha, 2000. 156 s. ČVUT v Praze. Fakulta strojní Ribner H. S.: Aerodynamic Sound from Flouid Dilatations. Toronto: UTIA Report No. 86, 1962. Reynolds, D. D., Bledsoe, J. M.: Algoritmus for HVAC acoustics. Georgia: ASHRAE, Inc., 1991. ISBN 0-910110-75-1.
Přejít na první stránku
