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

Ph.D Juan Pablo Hurtado CruzDepartamento de Ingeniería en MinasUniversidad de Santiago de Chile

1. Introducción

2. Objetivos y metodología

3. Aeroacústica

4. Estudio experimental

5. Estudio numérico

6. Modelo acústico

7. Conclusiones

Contenido

β2 < 90ºβ2 = 90º

β2 > 90º

1. Introducción Turbomáquinas – ventiladores centrífugos

Funcionamiento anómalo de ventiladores

Separación del flujo

RecirculaciónDesprendimiento rotativo

Vórtice de entrada

Prerrotación

- Pérdida de prestaciones- Generación de ruido y vibraciones

1. Introducción Ruido en ventiladores

Electromagnético

ORIGEN DEL RUIDO EN VENTILADORES

MecánicoAerodinámico

1. Introducción Ruido en ventiladores

11 17 25 37 56 84 125 188 281 421 631 946 1418 2124 3183 4768

Frecuencia [Hz]

Ruido discreto(frec. paso álabes)

Ruido en banda ancha

1. Introducción

Espectro característico del ruido ventiladores

Ruido en ventiladores

1. Introducción

Fuerzas estacionariasdiscreto

Flujo uniforme estacionariodiscreto (Ruido de Gutin)

Fuerzas no estacionariasdiscreto + banda ancha

Flujo no uniforme no estacionariobanda ancha

Flujo no uniforme estacionariodiscreto

Flujos secundariosdiscreto +banda ancha

Desprendimiento de vórticesbanda estrecha+banda ancha

Capa límite turbulentabanda ancha

CuadripolarRuido de turbulencia

banda ancha

MonopolarRuido de espesor

discreto

DipolarFuerzas de los álabes

discreto+ banda ancha

Neise (1988)

Ruido en ventiladores

discreto + banda anchaRuido de ventiladoresdiscreto + banda ancha

Desarrollar un modelo numérico de predicción dela generación y propagación del ruido aeroacústicotonal en un ventilador centrífugo.

Objetivo general

ESTUDIO EXPERIMENTAL

ESTUDIO NUMÉRICO

MODELO ACÚSTICO

Fases del estudio

Aproxim. Híbrida

KirchhoffFormulación deFfowcs Williams y Hawkings(Turbomáquinas)

Powell-Howe

Lighthill

Región fuente (ec. no lineales)

Región de propagación (ec. linealizadas)

3. Aeroacústica Líneas de estudio

Ecuación de Lighthill Tensor de Lighthill (término fuente)

3. Aeroacústica Analogía acústica

( ) 0x

∂ ∂+ =

∂ ∂ρ ν ( ) ( )

∂∂ ∂ ∂+ = − +

∂ ∂ ∂ ∂

τρ ν ρ ν ν

Ec. conservación de masa Ec. conservación de cantidad de movimiento

( ) ( )2 222 202

02 2 2

i j ij

i i j i

p cv vc

t x x x x

∂ −∂ −∂ ∂− = +

∂ ∂ ∂ ∂ ∂

ρρ τρ ρ

t x x x

ρ ρ ∂′ ′∂ ∂− =

∂ ∂ ∂ ∂ ( )2

0ij i j ij ijT v v p c′ ′= + − −ρ ρ δ τ

Tensor de tensiones viscosas

Tensor de tensiones fluctuantes de Reynolds

No uniformidades Entropía

0ij i j i jT v v u u= ≈ρ ρ

3. Aeroacústica Formulación de Ffowcs Williams-Hawkings

Término Dipolar Término Monopolar

Término Cuadripolar

( ) ( )( )( )( )( )

( )( ) ( ) ( )( ) ( )

i j j ij ji i i i i

T H f yc x t H f dy

x x x y

v v V n y V v V n ydS dS

x x y t x y

τπ ρ

ρ σ τ ρ ρ τ

−∞

∂′ = +

∂ ∂ −

− − + −∂ ∂ + + ∂ − ∂ −

∫ ∫

r r r r

Voluta

Descarga

Oído de aspiración

Rodete

Motor eléctrico

Cortaaguas

4. Estudio experimental El ventilador

1. Medida de curvas Características

METODOLOGÍA DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL

Banco de ensayos

3. Medidas de fluctuaciones de presión estática voluta

Transductores de presión

2. Medidas de presión y velocidad

Sonda de 5 orificios

4. Medidas acústicas en conducto de salida

5. Medidas de vibración en la voluta

Micrófonos 1/8” en la voluta

Micrófonos 1/2” en el conducto de salida

Acelerómetros en superficie voluta

Metodología

4. Estudio experimental Curvas características

Cono deregulaciónVentilador

Sección A Sección B

Entrada Salida

Resultados

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

Presión Dinámica

Presión Estática

Presión Total

4. Estudio experimental Curvas características

Resultados

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

Pot. Hidr.[kW]

Pot. Eje [kW]

Rendimiento [%]

Punto de máximo rendimiento (Best Efficiency Point - BEP)

0.92 m3/s, 500 Pa

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Cifra de Caudal

40%QBEP

75%QBEP QBEP

115%QBEP

135%QBEP

155%QBEP

170%QBEP

Curvas características

Resultados

Caja conexiones

Transductor

Manómetro U Soporte

Cápsula

Manguera

4. Estudio experimental Medidas de presión sobre la voluta

Medidas de presión estática media en la voluta del ventilador

Puntos Voluta

PosiciónAngular

P04 16

P05 23

P06 60

P11 210

P07 90

P12 240

P08 120

P13 270

P09 150

P14 300

P10 180

Metodología

Medidas de presión sobre la voluta

Metodología

0.15 0.30 0.40 0.75

Medidas de presión sobre la voluta

Señales de presión

SONDA DE 5 ORIFICIOS

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

AMPLIFICADORES

TARJETA DE ADQUISICIÓN

ALMACENAMIENTO Y TRATAMIENTO DE DATOS

Señales de tensión

Caja de conexiones

Señales de Tensión

Medidas de presión y velocidad

Sonda de cinco orificios

cortaaguasRodete

Rodete

a b c dSonda

a b c d

Placa anular de acero

Sonda de cinco orificios (salida del rodete)

Medidas de presión y velocidad

TARJETA DE ADQUISICIÓN

ALMACENAMIENTO Y TRATAMIENTO DE DATOS

Micrófonos +Capsulas

ANALIZADOR BRÜEL&KJAER (preamplificación y grabación simultanea de la señal)

Ventilador

Trigger

Fluct. de presión en la voluta

Analizador Espectros

PC + Tarjeta Capt. Señales

Ventilador

Cápsula

Rosca Tornillos

Tornillos de sujeción

Soporte de sujeción

Micrófono 1/8”

Micrófono

Soporte

Cápsula Tornillo

METODOLOGÍA DEL ESTUDIO NUMERICO

BIDIMENSIONAL (2D) TRIDIMENSIONAL (3D)

Metodología

Nº total celdas : 160.930 Tipo de mallado : triangular, no estructurado Modelo turbulencia : k-εεεε EstándarVelocidad de giro : 1496 r.p.m. = 24.9 HzPaso temporal : ∆t = 1 / (24.9 10 30) = 1.34 10-4 s

Metodología - (2D)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

PT 2D-Est.

PT 2D-No Est.

PT Experimental

Curvas características (2D)

Nº total celdas : 733.407 Tipo de mallado : tetraédrico, no estructurado Modelo turbulencia : k-εεεε EstándarVelocidad de giro : 1496 r.p.m. = 24.9 HzPaso temporal : ∆t = 1 / (24.9 10 30) = 1.34 10-4 s

Metodología - (3D)

Entrada: 67.992 Rodete: 559.282

Voluta – Conducto Salida: 106.133

Total: 733.407

5. Estudio numérico Curvas características (3D)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

PT Experimental

Num-3D-Est.

Num-3D-No Est.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

Pot. Eje - 3D No Est.

Pot. Hidr.- 3D No Est.

Pot.Consumida Exp.

Pot.Hidr.Exp.

ejePot. M ω=

hidr TotalPot. P Q=

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Caudal [m3/s]

Rendimiento [%] - Experimental

Rendimiento [%] - 3D No Est.

Pot.η

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

Planos A B C DPlanos de análisis

Presión estática sobre el plano B (QBEP)Presión estática en superficies (QBEP)

Campos de presión y velocidad (3D)

Componente radial de la velocidad [m/s] Componente tangencial de la velocidad [m/s]

Componente radial de la velocidad (QBEP)

Componente tangencial de la velocidad (QBEP)

(a) (b) (c) (d)

Presión estática media en la voluta

75%QBEP

Numérico

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Posición angular (θ)

0.15 - Num 0.3 - Num 0.4 - Num 0.75 - Num

75%QBEP

Experimental

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Exp 0.3 - Exp 0.4 - Exp 0.75 - Exp

Numérico

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15-Num 0.3 - Num 0.4 - Num 0.75 - Num

Experimental

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Exp 0.3 - Exp 0.4 - Exp 0.75 - Exp

Presión estática media en la voluta

135%QBEP

Numérico

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Num 0.3 - Num 0.4 - Num 0.75 - Num

135%QBEP

Experimental

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Exp 0.3 - Exp 0.4 - Exp 0.75 - Exp

170%QBEP

Numérico

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Num 0.3 - Num 0.4 - Num 0.75 - Num

170%QBEP

Experimental

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0.15 - Exp 0.3 - Exp 0.4 - Exp 0.75 - Exp

Presión estática a la salida del rodete

5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad

-200-100

0100200300400500600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

Posición angular [º]

0.3_Exp_135%Qbep 0.3_Sim3D_135%Qbep

-200-100

0100200300400500600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

-200-100

0100200300400500600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

-200-100

0100200300400500600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

0.3_Exp_Qbep 0.3_Sim3D_Qbep

Magnitud de la velocidad a la salida del rodete

5. Estudio numérico Campos de presión y velocidad

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

0.3_Exp_Qbep 0.3_Sim3D_Qbep

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

5. Estudio numérico Fluct. presión estática

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

tiempo [s]

QBEP P02b Exp QBEP P02b Num

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

tiempo [s]

170%QBEP P02b Exp 170%QBEP P02b Num

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

tiempo [s]

QBEP P10b Exp QBEP P10b Num

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

tiempo [s]

170%QBEP P10b Exp 170%QBEP P10b Num

' x ' x ' x ' xn

t,i c,i l,i

p ( ,t) p ( ,t) p ( ,t) p ( ,t)=

= + + ∑r r r r

(Succi 1980)

0 0 1 1 1'

4 1 1 1t,i

r r i r

Vp ( x,t)

M M r Mτ

π τ τ

∂ ∂= − ∂ − ∂ −

( )i i

1 1 1 1 M M' r f f M

4 11i i ic,i

p ( x,t)r MM

− ⋅= ⋅ − ⋅

−−

uur uurr r r r uur

1 1 1 r f r f r M' +

4 π r c τ 1 c τ1

i i i i i i

p ( x,t)MM

∂ ⋅ ∂= ⋅ ⋅ ∂ − ∂−

r r r r r uurr

Ruido monopolar

Ruido dipolar encampo cercano

Ruido dipolar encampo lejano

6. Modelo acústico Metodología del modelo

i i i i ii i i2

0 0 i 0

y M y x y y1 1 1M , , r M

c c r crM

∂ ∂ ∂ − ∂= = = ⋅ = ⋅

∂τ ∂τ ∂τ ∂τ 0

)τ(rτt +=

Origen sistema de

coordenadas

Observador

Fuente

Fuentes de ruido

Obtención de la presión acústica p' (x, t)r

pSPL 10

1. Cálculo de las contribuciones monopolar y dipolares (tiempo de la fuente, τ)τ)τ)τ).

2. Determinación distancia ri (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:

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Paso temporal

Monopolo Dipolo campo cercano

Dipolo campo lejano

-0.015

-0.005

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Paso temporal

Monopolo Dipolo campo cercano

Dipolo campo lejano

Contribución de un álabe

Contribución del cortaaguas

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

Tiempo [s]

Total MonopoloDipolo campo cercano Dipolo campo lejano

Contribución de todas las fuentes

PLANO ZX

PLANO ZY

PLANO XY

75%QBEP (20x20) 100%QBEP (20x20)

170%QBEP (20x20)

PLANO ZX

ANALIZADOR BRÜEL & KJAER

VENTILADOR

MICRÓFONO

Micrófono 1/2” Brüel & Kjaer 4189

Analizador Brüel & Kjaer 2133 (1/24 octava de resolución)

6. Modelo acústico Medidas de campo acústico

Malla de medida – Plano ZX

SimulaciónExperimental

170%QBEP

170xQbep - plano ZX - linea horizontal (X = 0.5m)

30354045505560657075808590

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

Plano (X,0,Z) EXPERIMENTAL

Plano (X,0,Z) SIMULACIÓN

170xQbep - plano ZX - linea horizontal (X = 1.5)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

6. Modelo acústico

Resultados numéricos – experimentales (Plano ZX)

Nivel de presión sonora

170xQbep - plano ZX - linea horizontal (X = 3m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

170xQbep - plano ZX - linea horizontal (X = 5m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

170xQbep - plano ZX - linea Vertical (Z = 5m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

170xQbep - plano ZX - linea Vertical (Z = 0.5m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

170xQbep - plano ZX - linea Vertical (Z = 1.5m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

170xQbep - plano ZX - linea Vertical (Z = 3m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

Malla de medida – Plano ZY

Plano (x,y,-2)

Plano (-2,y,z)

6. Modelo acústico Nivel de presión sonora

Simulación 170%QBEP

Experimental 170%QBEP

170xQbep - plano ZY - linea horizontal (Y=1m)

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

Distancia (m)

Plano (-2,y,z) SIMULACIÓN

Plano (-2,y,z) EXPERIMENTAL

Malla de medida – Plano XY

Plano (x,y,-2)

Plano (-2,y,z)-X

6. Modelo acústico Nivel de presión sonora

Simulación 170%QBEP

Experimental 170%QBEP

170xQbep - plano XY - linea horizontal (Y=1m)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Distancia (m)

Plano (x,y,-2) SIMULACIÓN

Plano (x,y,-2) EXPERIMENTAL

• Ruido tonal aerodinámico e importantes contribuciones en bandaancha y tonales relacionadas con fuentes mecánicas

• La componente tonal (BPF) aumenta con el caudal hasta 135%QBEP, ya partir de ahí disminuye levemente.

• La interacción entre el rodete y el cortaaguas: única fuente del ruidotonal aerodinámico para caudales alejados del QBEP. Cerca del QBEP lasfluctuaciones de presión creadas por los álabes del ventiladorconstituyen otro mecanismo de generación de ruido.

Determinación experimental de las fuentes tonales de ruido en un ventilador centrífugo.

7. Conclusiones Estudio experimental

• Predicción satisfactoria de las curvas características.

• Predicción satisfactoria de los campos de presión y velocidad a lasalida del rodete.

• Predicción satisfactoria de las fluctuaciones de presión en la voluta,capturando los fenómenos principales del flujo tales como los efectosde chorro-estela y la interacción rodete-voluta.

7. Conclusiones Estudio numérico

Simulación numérica tridimensional del flujo

• Se ha aplicado la formulación de Ffowcs Williams-Hawkings de laanalogía acústica.

• Predicción de la evolución del ruido en la proximidad del ventilador.

• Predominio del ruido dipolar.

• Comparación satisfactoria entre resultados numéricos yexperimentales.

7. Conclusiones Modelo acústico

Modelo de predicción

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