阶梯复合形光声池声流特性计算与评估(3)
图7 不同阶梯数下的结构模型Fig.7 Structural models with different number of steps
表1 不同N下的模拟结果Table 1 Simulation results with differentNN 1 2 3 Pressure/Pa 2.49×10?5 2.37×10?5 2.33×10?5 Frequence/Hz 1 457 1 519 1 540 Sound pressure distribution images/BZ_205_1754_1465_2060_1521.pngimages/BZ_205_1752_1545_2062_1601.pngimages/BZ_205_1752_1625_2062_1678.png
2.3 流场特性分析
光声池的检测性能不仅取决于其光声信号,在动态检测的条件下,连续采样时腔内气体流动对光声检测品质亦有重要影响,文献[18-19]中均有实验与模拟相应结果。因此,进一步比较分析阶梯复合形光声池与圆柱共振型光声池的腔内流场差异,将有助于全面了解其性能特点。由于通过实验来观测腔内流场较为困难,因而本文将延用文献[18]中所采用的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术进行模拟计算,并且分析在不同形状、参数条件下的光声池腔内气体流动规律与流场特性。
2.3.1 计算条件与结果
光声池流场计算为内部稳态求解类型,对光声池三维模型适当处理,建立腔内封闭的流场计算域。光声池进、出气孔为NPT1/8标准螺纹孔尺寸,进气与出气孔的间距Lg=200 mm,阶梯结构参数N=1,Rt=10 mm,Lt=40 mm,其余尺寸设定与基准模型相同。光声池腔内流体材质定义为空气,流体与固体温度均设定为293 K,定义进出口计算边界条件:进气口为流速边界Vin=1 m/s 并施加充分流动条件,出气口为静压边界101.325 kPa,固体壁面采用绝热壁面条件,以流体平均速度与平均动压为收敛目标,对模型网格以及求解精度进行适度设定,流场模拟结果如图8所示。
识别腔内流体域,计算可知阶梯复合形光声池气体容积降低为圆柱共振型光声池的39.7%,容积小将会缩短样品采样时间,有助于提升动态检测效率。从图8流场图可知,气体流经光声池腔体时,在进、出气口以及谐振腔位置流速相对较大,谐振腔中流速较为平稳,由于气流的冲击作用,气体在进入和离开谐振腔时流体附近速度梯度较为显著;对比图8(a)、(b)可知,圆柱共振型光声池的缓冲腔与谐振腔之间的截面突变相对剧烈,因而两侧缓冲腔内均出现了较大的涡漩回流区域,涡漩回流不仅会增加气体流动时的阻力,降低腔内气体浓度的交换效果,同时还会产生能量损失诱发气体噪声;阶梯复合形光声池腔内截面的逐步变化起到了导流作用,因而其涡漩回流区域及其程度都得到一定改善,流场特性明显要优于圆柱共振型光声池。
图8 光声池前后对称面流场切面分布云图Fig.8 Flow field distribution in front and back symmetrical section of the photoacoustic cell
2.3.2 过渡处结构改进
对阶梯复合形光声池结构过渡处进行改进,分析将光声池梯形腔与缓冲腔、谐振腔的转接处改成倒角或圆角结构的流场特性。为简化设计,设定光声池中的所有倒角C或圆角R尺寸均相等,对比分析C为1.5 mm、3 mm 或R为1.5 mm、3 mm 条件下的流场情况。模拟结果显示,过渡处采用倒角或者圆角对池内流场影响基本相同,相比而言圆角过渡稍好,随着C或R的增大,流场性能表现越好。图9给出了R=3 mm 的流场模拟结果,对比图8(b)可知,带有圆角的阶梯复合形光声池的流速有所降低,流速分布得到了改善。
图9 阶梯复合形光声池流场切面分布云图(R=3 mm)Fig.9 Flow field section distribution of the photoacoustic cell(R=3 mm)
为了更清晰地比较上述结构下的流场特性,以光声池的轴线为路径目标,探测其流速分布,结果如图10所示。可知三种光声池(圆柱型、阶梯型以及带圆角过渡的阶梯型)流速分布均呈现中间高、两端低的特点。当气体进入和离开谐振腔时,均表现出较大的流速梯度,尤其是圆柱共振型光声池流速梯度非常剧烈,显然不利于光声系统动态检测。阶梯复合形光声池结构设计改善了气体流动,在光声池腔体右侧表现得较为明显,从剧烈的流速变化变为较为平缓的过渡,加设圆角过渡,谐振腔中流速出现了一定幅度的降低,同时,光声池腔体右侧部分流速变化得更为平滑,但对于右侧部分流速有一定的提升,整体而言,其效果要优于另外两种。
图10 三种结构光声池轴线气体流速分布情况Fig.10 Gas velocity distribution along the axis of three photoacoustic cells
2.4 综合评估
阶梯复合形光声池采用圆角处理方案可以进一步优化截面突变处的气体流动,但结构上发生了一定的变化,这需要对其声学特性进行重新评估。为了确定阶梯复合形光声池的最终结构设计,对上述三种结构光声池进行声学激励频扫模拟计算(扫频范围为1 000~2 000 Hz,步长为2 Hz),结果如图11所示,可知阶梯复合形及其带圆角的两种光声池声压值基本相同,这说明圆角处理对其声学特性的影响甚微,因而在设计中可以优选圆角处理方案;通过计算,阶梯复合形光声池声压值较圆柱共振型光声池提升约18.7%,提升幅度较为显著;其次,从图中还可以观察出,阶梯复合形及其带圆角的两种光声池均比圆柱共振型光声池具有更窄的频响带宽,同时声学共振频率又相对降低,因而其品质因数将高于圆柱共振型光声池,从理论上讲,品质因数高可以提升检测信号的灵敏性。综上,阶梯复合形光声池是一种光声池结构的可选设计,整体声-流特性优于传统圆柱共振型光声池。
文章来源:《应用声学》 网址: http://www.yysxzz.cn/qikandaodu/2021/0616/532.html