Simulación de las fluctuaciones de presión en un ventilador centrífugo industrial para obtener la señal acústica

Transcripción

1 Simulación de las fluctuaciones de presión en un ventilador centrífugo industrial para obtener la señal acústica Ph.D Juan Pablo Hurtado Cruz Departamento de Ingeniería en Minas Universidad de Santiago de Chile

2 Contenido 1. Introducción 2. Objetivos y metodología 3. Aeroacústica 4. Estudio experimental 5. Estudio numérico 6. Modelo acústico 7. Conclusiones

3 1. Introducción Turbomáquinas ventiladores centrífugos P H β2 > 9º β2 < 9º β2 = 9º Q

4 1. Introducción Ruido en ventiladores Funcionamiento anómalo de ventiladores Separación del flujo Desprendimiento rotativo Vórtice de entrada Recirculación Prerrotación - Pérdida de prestaciones - Generación de ruido y vibraciones

5 1. Introducción Ruido en ventiladores ORIGEN DEL RUIDO EN VENTILADORES Electromagnético Aerodinámico Mecánico

6 1. Introducción Ruido en ventiladores Espectro característico del ruido ventiladores SPL [db] Ruido discreto (frec. paso álabes) Ruido en banda ancha Ruido en banda ancha Frecuencia [Hz]

7 1. Introducción Ruido en ventiladores Ruido de ventiladores discreto + banda ancha Neise (1988) Monopolar Ruido de espesor discreto Dipolar Fuerzas de los álabes discreto+ banda ancha Cuadripolar Ruido de turbulencia banda ancha Fuerzas estacionarias discreto Fuerzas no estacionarias discreto + banda ancha Flujo uniforme estacionario discreto (Ruido de Gutin) Flujo no uniforme no estacionario banda ancha Flujo no uniforme estacionario discreto Flujos secundarios discreto + banda ancha Desprendimiento de vórtices banda estrecha + banda ancha Capa límite turbulenta banda ancha

8 2. Objetivos y metodología Objetivo general Desarrollar un modelo numérico de predicción de la generación y propagación del ruido aeroacústico tonal en un ventilador centrífugo.

9 2. Objetivos y metodología Fases del estudio ESTUDIO EXPERIMENTAL ESTUDIO NUMÉRICO MODELO ACÚSTICO

10 3. Aeroacústica Líneas de estudio Kirchhoff Lighthill Formulación de Ffowcs Williams y Hawkings (Turbomáquinas) Powell-Howe Región fuente (ec. no lineales) Aproxim. Híbrida Región de propagación (ec. linealizadas)

11 3. Aeroacústica Analogía acústica Ec. conservación de masa Ec. conservación de cantidad de movimiento p + i = t x i ( ) p τ ij + = + t x x x ρ ν ( ρ ν i ) ( ρ ν i ν j ) j i i 2 2 ( ρ viv j τ ij ) ( p c ρ ) ρ 2 ρ c 2 = t xi xi x j xi Ecuación de Lighthill T ij c 2 = 2 t xi xi x j ρ ρ Tensor de Lighthill (término fuente) 2 T ij = ρ v iv j ( ρp uiuc j ) = ρ + ρ δ τ ij i j ij ij Tensor de tensiones fluctuantes de Reynolds No uniformidades Entropía Tensor de tensiones viscosas

12 3. Aeroacústica Formulación de Ffowcs Williams-Hawkings Término Cuadripolar ( ) ( ( ) ( )) ( r 2 )( ) 2 r Tij H f y, τ r 4 πc ρ x, t H f = r r dy + x i x j x y ( v ( ) ) r ρ i vj Vj σij nji ( y, τ) r ( ρv i + ρ( vi Vi )) ni ( y, τ) + r r ds + r r ds x i x y t x y f = f = Término Dipolar Término Monopolar

13 4. Estudio experimental El ventilador Y Voluta Descarga Y -X X Oído de aspiración Rodete Z Z Motor eléctrico Cortaaguas X -Y -Z

14 4. Estudio experimental Metodología METODOLOGÍA DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL 1. Medida de curvas Características 2. Medidas de presión y velocidad 3. Medidas de fluctuaciones de presión estática voluta 4. Medidas acústicas en conducto de salida 5. Medidas de vibración en la voluta Banco de ensayos Transductores de presión Sonda de 5 orificios Micrófonos 1/8 en la voluta Micrófonos 1/2 en el conducto de salida Acelerómetros en superficie voluta

15 4. Estudio experimental Curvas características Ventilador Sección A Sección B Cono de regulación Entrada Salida

16 4. Estudio experimental Curvas características Resultados Presión [Pa] Presión Dinámica Presión Estática Presión Total Caudal [m 3 /s]

17 4. Estudio experimental Curvas características Resultados Punto de máximo rendimiento (Best Efficiency Point - BEP) 1.6 Pot. Hidr.[kW] Pot. Eje [kw] Rendimiento [%].92 m 3 /s, 5 Pa 4% % Potencia [kw] % 25% 2% 15% 1% 5% % Caudal [m 3 /s] Rendimiento [%]

18 4. Estudio experimental Curvas características Resultados.16 4%Q BEP 75%Q BEP QBEP %Q BEP 135%QBEP Cifra de Presión %Q BEP 17%Q BEP Cifra de Caudal

19 4. Estudio experimental Medidas de presión sobre la voluta Medidas de presión estática media en la voluta del ventilador Manómetro U Transductor Caja conexiones Soporte Cápsula Manguera

20 4. Estudio experimental Medidas de presión sobre la voluta Puntos Voluta Posición Angular Metodología P1 P2 2 P3 9 P4 16 P5 23 P6 6 P7 9 P8 12 P9 15 P1 18 P11 21 P12 24 P13 27 P14 3

21 4. Estudio experimental Medidas de presión sobre la voluta Metodología

22 4. Estudio experimental Medidas de presión y velocidad Sonda de cinco orificios Señales de presión SONDA DE 5 ORIFICIOS Caja de conexiones Señales de Tensión Señales de tensión AMPLIFICADORES TARJETA DE ADQUISICIÓN TRANSDUCTORES DE PRESIÓN ALMACENAMIENTO Y TRATAMIENTO DE DATOS

23 4. Estudio experimental Medidas de presión y velocidad Sonda de cinco orificios (salida del rodete) Sonda a b c d d Rodete Sonda c b a Rodete cortaaguas a b c d Placa anular de acero

24 4. Estudio experimental Fluct. de presión en la voluta Soporte ANALIZADOR BRÜEL&KJAER (preamplificación y grabación simultanea de la señal) ALMACENAMIENTO Y TRATAMIENTO DE DATOS Micrófonos + Capsulas Ventilador Trigger TARJETA DE ADQUISICIÓN Micrófono Cápsula Tornillos de sujeción Tornillo Analizador Espectros Ventilador Soporte de sujeción Rosca Tornillos PC + Tarjeta Capt. Señales Cápsula Micrófono 1/8

25 5. Estudio numérico Metodología METODOLOGÍA DEL ESTUDIO NUMERICO BIDIMENSIONAL (2D) TRIDIMENSIONAL (3D)

26 5. Estudio numérico Metodología - (2D) Nº total celdas : Tipo de mallado : triangular, no estructurado Modelo turbulencia : k-ε Estándar Velocidad de giro : 1496 r.p.m. = 24.9 Hz Paso temporal : t = 1 / ( ) = s

27 5. Estudio numérico Curvas características (2D) Presión Total [Pa] PT 2D-Est. PT 2D-No Est. PT Experimental Caudal [m 3 /s]

28 5. Estudio numérico Metodología - (3D) Nº total celdas : Tipo de mallado : tetraédrico, no estructurado Modelo turbulencia : k-ε Estándar Velocidad de giro : 1496 r.p.m. = 24.9 Hz Paso temporal : t = 1 / ( ) = s Entrada: Rodete: Voluta Conducto Salida: Total:

29 5. Estudio numérico Curvas características (3D) Presión [Pa] PT Experimental Num-3D-Est. Num-3D-No Est Caudal [m 3 /s]

30 5. Estudio numérico Curvas características (3D) Pot. Eje - 3D No Est. Pot. Hidr.- 3D No Est. Pot.Consumida Exp. Pot. eje = M ω 1.4 Pot.Hidr.Exp. Potencia [kw] Pot. = P Q Caudal [m 3 /s] hidr Total

31 5. Estudio numérico Curvas características (3D) 4% Pot. η = Pot. hidr eje Rendimiento [%] 35% 3% 25% 2% 15% 1% 5% % Rendimiento [%] - Experimental Rendimiento [%] - 3D No Est Caudal [m 3 /s]

32 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Planos de análisis Planos A B C D

33 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D)

34 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Presión estática en superficies (Q BEP ) Presión estática sobre el plano B (Q BEP )

35 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D)

36 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Componente radial de la velocidad [m/s] Componente tangencial de la velocidad [m/s]

37 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Componente radial de la velocidad (Q BEP ) Componente tangencial de la velocidad (Q BEP )

38 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) (a) (b) (c) (d)

39 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Presión estática media en la voluta 6 75%Q BEP Numérico 6 75%Q BEP Experimental Presión Estática [Pa] Num.3 - Num.4 - Num.75 - Num Posición angular (θ) Presión Estática [Pa] Exp.3 - Exp.4 - Exp.75 - Exp Posición angular (θ) 6 Q BEP Numérico 6 Q BEP Experimental Presión Estática [Pa] Num.3 - Num.4 - Num.75 - Num Posición angular (θ) Presión Estática [Pa] Exp.3 - Exp.4 - Exp.75 - Exp Posición angular (θ)

40 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad (3D) Presión estática media en la voluta 6 135%Q BEP Numérico 6 135%Q BEP Experimental Presión Estática [Pa] Num.3 - Num.4 - Num.75 - Num Posición angular (θ) Presión Estática [Pa] Exp.3 - Exp.4 - Exp.75 - Exp Posición angular (θ) 6 17%Q BEP Numérico 6 17%Q BEP Experimental Presión Estática [Pa] Num.3 - Num.4 - Num.75 - Num Posición angular (θ) Presión Estática [Pa] Exp.3 - Exp.4 - Exp.75 - Exp Posición angular (θ)

41 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad Presión estática a la salida del rodete.3_exp_75%qbep.3_sim3d_75%qbep.3_exp_qbep.3_sim3d_qbep Presión [Pa] Presión [Pa] Posición angular [º] Posición angular [º].3_Exp_135%Qbep.3_Sim3D_135%Qbep.3_Exp_17%Qbep.3_Sim3D_17%Qbep Presión [Pa] Presión [Pa] Posición angular [º] Posición angular [º]

42 5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad Magnitud de la velocidad a la salida del rodete.3_exp_75%qbep.3_sim3d_75%qbep.3_exp_qbep.3_sim3d_qbep Velocidad [m/s] Velocidad [m/s] Posición angular [º] Posición angular [º].3_Exp_135%Qbep.3_Sim3D_135%Qbep.3_Exp_17%Qbep.3_Sim3D_17%Qbep Velocidad [m/s] Velocidad [m/s] Posición angular [º] Posición angular [º]

43 5. Estudio numérico Fluct. presión estática 6 QBEP P2b Exp QBEP P2b Num Presión estática [Pa] tiempo [s] 6 17%QBEP P2b Exp 17%QBEP P2b Num Presión estática [Pa] tiempo [s]

44 5. Estudio numérico Fluct. presión estática Presión estática [Pa] QBEP P1b Exp tiempo [s] QBEP P1b Num Presión estática [Pa] %QBEP P1b Exp tiempo [s] 17%QBEP P1b Num

45 5. Estudio numérico Fluct. presión estática

49 Fuente 6. Modelo acústico Metodología del modelo Origen sistema de coordenadas Z Y uur r y i n p '( x r ri r,t) = x p ' t,i ( x r,t) + p ' c,i ( x r,t) + p ' l,i ( x r,t) X i= 1 Observador (Succi 198) Fuentes de ruido p ' t,i r ρ V ( x,t) = 4 π 1 M r τ 1 M r τ ri 1 M r uur uur r r r 1 Mi M r uur i p ' c,i ( x,t) = r f f M 2 2 i i i 4 π ri ( 1 M ) 1 M r r τ i τ Ruido monopolar Ruido dipolar en campo cercano r r r r r uur r r f r f r M p ' l,i( x,t) = + 4π r ( 1 ) 2 i M c τ 1 M r c τ r i i i i i i τ Ruido dipolar en campo lejano 1 y M 1 y x y 1 y r i(τ) M,, r M t = τ + τ τ τ τ c 2 i i i i i i = = M 2 r = i i = c c ri c

50 6. Modelo acústico Metodología del modelo r Obtención de la presión acústica p'(x, t) 1. Cálculo de las contribuciones monopolar y dipolares (tiempo de la fuente, τ). 2. Determinación distancia r i (fuente observador). Cálculo del tiempo observador (t ). 3. Ordenación de la presión acústica, de acuerdo al orden de llegada al observador. 4. Determinación del nivel de presión sonora: SPL 1 log p' rms = 1 pref 2

51 6. Modelo acústico Metodología del modelo Monopolo Dipolo campo cercano.5 Dipolo campo lejano Contribución de un álabe Presión [Pa] m Paso temporal.15 Monopolo Dipolo campo lejano Dipolo campo cercano.1.5 Contribución del cortaaguas Presión [Pa] Paso temporal

52 6. Modelo acústico Metodología del modelo Contribución de todas las fuentes Total Dipolo campo cercano Monopolo Dipolo campo lejano 7 m Presión [Pa] Tiempo [s]

53 Q BEP PLANO ZX X -Z Z -X

54 Q BEP PLANO ZY Y -Z Z -Y

55 Q BEP PLANO XY Y -X X -Y

56 75%QBEP (2x2) 1%QBEP (2x2) 17%QBEP (2x2) PLANO ZX

57 6. Modelo acústico Medidas de campo acústico Micrófono 1/2 Brüel & Kjaer 4189 Analizador Brüel & Kjaer 2133 (1/24 octava de resolución) ANALIZADOR BRÜEL & KJAER VENTILADOR MICRÓFONO

58 6. Modelo acústico Medidas de campo acústico Malla de medida Plano ZX +Z -X X -Z

59 6. Modelo acústico Nivel de presión sonora Resultados numéricos experimentales (Plano ZX) SPL (db) SPL (db) 17xQbep 17xQbep - plano - plano -- plano ZX ZX - linea ZX - linea -- linea horizontal (X (X = = (X.5m) = 1.5) 3m) 17xQbep - plano ZX - linea Vertical (Z = 5m) 17xQbep -- plano - plano ZX ZX ZX -- linea - linea Vertical Vertical (Z (Z = (Z 3m).5m) = 1.5m) Plano (X,,Z) EXPERIMENTAL Plano (X,,Z) EXPERIMENTAL Plano Plano (X,,Z) (X,,Z) EXPERIMENTAL Plano (X,,Z) 858 SIMULACIÓN Plano (X,,Z) EXPERIMENTAL Plano 8 75 (X,,Z) SIMULACIÓN Plano Plano (X,,Z) (X,,Z) SIMULACIÓN 75 Plano (X,,Z) SIMULACIÓN Experimental Simulación Plano (X,,Z) EXPERIMENTAL 4 17%QBEP Plano (X,,Z) EXPERIMENTAL Plano (X,,Z) (X,,Z) SIMULACIÓN Distancia (m) Distancia (m) Distancia (m) (m) (m) Distancia (m) SPL SPL (db) (db) SPL (db)

60 6. Modelo acústico Nivel de presión sonora Y 1.5 Malla de medida Plano ZY Z Plano (-2,y,z) Plano (x,y,-2)

61 Experimental 17%QBEP 17xQbep - plano ZY - linea horizontal (Y=1m) Plano (-2,y,z) SIMULACIÓN Plano (-2,y,z) EXPERIMENTAL SPL (db) Distancia (m) Simulación 17%QBEP

62 6. Modelo acústico Nivel de presión sonora Y 1.5 Malla de medida Plano XY X +Z Plano (-2,y,z) - X Plano (x,y,-2) X -Z

63 Experimental 17%QBEP 17xQbep - plano XY - linea horizontal (Y=1m) Plano (x,y,-2) SIMULACIÓN Plano (x,y,-2) EXPERIMENTAL SPL (db) Distancia (m) Simulación 17%QBEP

64 7. Conclusiones Estudio experimental Determinación experimental de las fuentes tonales de ruido en un ventilador centrífugo. Ruido tonal aerodinámico e importantes contribuciones en banda ancha y tonales relacionadas con fuentes mecánicas La componente tonal (BPF) aumenta con el caudal hasta 135%Q BEP, y a partir de ahí disminuye levemente. La interacción entre el rodete y el cortaaguas: única fuente del ruido tonal aerodinámico para caudales alejados del Q BEP. Cerca del Q BEP las fluctuaciones de presión creadas por los álabes del ventilador constituyen otro mecanismo de generación de ruido.

65 7. Conclusiones Estudio numérico Simulación numérica tridimensional del flujo Predicción satisfactoria de las curvas características. Predicción satisfactoria de los campos de presión y velocidad a la salida del rodete. Predicción satisfactoria de las fluctuaciones de presión en la voluta, capturando los fenómenos principales del flujo tales como los efectos de chorro-estela y la interacción rodete-voluta.

66 7. Conclusiones Modelo acústico Modelo de predicción Se ha aplicado la formulación de Ffowcs Williams-Hawkings de la analogía acústica. Predicción de la evolución del ruido en la proximidad del ventilador. Predominio del ruido dipolar. Comparación satisfactoria entre resultados numéricos y experimentales.