炉内换热器管阵列中的泄漏声辐射与传播特性及其源定位方法

In power plant boilers, the acoustic method is an important means to achieve the leakage detection and location, which can improve the boiler efficiency and protect economic security. The heat exchanger structure is similar to phononic crystals (PCs), and there is band gaps and conduction band in PCs. And there is secondary sound radiation for the leakage jets shock the tube array. The two reason lead to the acoustic radiate propagation very complicated. It is still problem has been solved for the leakage acoustic detection and location. This research topic is focus on the new acoustic technology and its application in the boiler condition monitoring and failure diagnosis. The research aim at the acoustic radiate propagation rules, and the discussion focus on the theory and application of acoustic leakage detection and location in the tube arrays. The mainly contents: (1) The characteristics of the tube leakage acoustic radiate and jet flow; (2) The characteristics of aeolian tone radiate and circle flow, which is caused by the leakage jet shock the tube; (3) The influence on the acoustic radiate propagation for the leakage sound through periodic tube arrays; (4) The research on acoustic leakage detection and location in the tube array. By this topic research, revealing the basic rules in the tube arrays leakage acoustic radiate propagation, and promoting the boiler acoustic theory and developing the acoustic application.

在电站锅炉中，用声学方法来实现炉内泄漏检测和声源定位是提高锅炉效率、保障安全经济运行的重要手段，但由于炉内换热器管阵列具有二维声子晶体的结构特征和声传播通止作用，加之泄漏喷流在冲击管阵列时又会产生新的次级声辐射，导致炉内管阵列中的泄漏声辐射与传播过程十分复杂。目前，对炉内管阵列中的泄漏声检测与源定位问题仍是尚未解决的难题。本课题将针对电站锅炉状态监测和故障诊断的新一代声学应用技术，以揭示炉内管阵列中的泄漏声辐射与传播规律为目的，重点探讨炉内管阵列中泄漏声检测与源定位的理论和方法。主要研究内容：（1）管道泄漏喷流噪声的声辐射和喷流流动特征；（2）泄漏喷流冲击管道的风吹声辐射和绕流流动特征；（3）周期性管阵列对管道泄漏声辐射传播的影响规律；（4）管阵列中管道泄漏源的声学定位方法研究。通过课题研究，揭示炉内管阵列中的泄漏声辐射与传播的基本规律，推动炉内声学理论的建立和声学技术应用的发展。

本课题针对电站锅炉状态监测和故障诊断的新一代声学应用技术，以揭示炉内管阵列中的泄漏声辐射与传播规律为目的，重点探讨炉内管阵列中泄漏声检测与源定位的理论和方法。在泄漏声频谱特征方面，建立了泄漏喷流噪声(一次声)及射流冲击管道的二次声三维仿真模型，得到了发声区集中在被冲击管壁的附近，在相同孔径和压力的情况下，对比无管情况，泄漏噪声覆盖更多低频区，高频区的声压级有所降低，能量分布更加平均；管阵列中的声传播规律和声辐射特征方面，引入声子晶体概念进行研究，通过不同管排阵列结构，在某些频段存在声波的单向导通现象，管阵列中存在冷点时会发生声波绕射现象，随着角度的偏转，带隙频率会发生变化，声子晶体对声波不只存在减弱现象，同时也存在增强作用(声波导现象)，当温度场发生改变时，其声指向性也会相应变化，在非均匀温度场中，声辐射特性由阵列与温度分布共同作用；在管阵列中的声源定位方面，引入阵列中的有效声速概念，当声波波长λ≥3.5a(a为声子晶体的晶格常数)时，声子晶体可视为有效介质，基于半自由场的声源定位方法，给出二维阵列中的声源定位方法。同时对课题进行了相关的拓展研究，包括：(1) 在三维空间中进行温度场重建算法及水冷壁定位方法研究； (2)颗粒介质中的强声效应(声流)，如声波对流场，颗粒的运动和温度分布的影响等；(3) 声波对燃烧火焰的影响，声波对火焰的助燃与阻燃效果研究。通过本课题研究，揭示炉内管阵列中的泄漏声辐射与传播的基本规律，推动炉内声学理论的建立和声学技术应用的发展。