基于Fluent小型制氧机主控阀降噪结构优化设计

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小型制氧机的噪声主要分为进气噪声、无油空气压缩机噪声、风扇噪声、主控阀噪声,其中最主要的是无油空压机和主控阀的噪声。目前国内针对无油压缩机振动噪声的研究比较多,对主控阀噪声的研究比较少,并且大约50%以上制氧机厂商主控阀都是膜片截止式气动阀,噪声产生原理基本相同,本文的工作就是使主控阀的噪声降低几个分贝。首先对国内外阀门噪声、小型制氧机工作原理、变压吸附制氧原理进行研究,在此基础上建立了主控阀流体力学控制方程,并根据阀口气体流动速度选择了k-ε湍流模型,采用有限体积法。然后根据主控阀的结构尺寸和工作原理,对其数学模型进行了简化,在确定模型合理后进行Fluent仿真分析主控阀内部流场,观察气体的流动情况,找到引起噪声的位置及其产生机理:一方面是阀座处存在奇点,引起内部湍流扰动,由于局部压力梯度变化过大产生噪声;另一方面是阀口两侧压力差大,主控阀开度小,使气流速度在此处突然增大。在仿真分析过程中,清楚噪声产生的原因后,找到了噪声传播的途径:均压的过程中,右侧高压膜片处产生噪声,在左侧低压膜片还没有封闭阀座时经过主控阀排气口传播出去。根据均压噪声产生的原因、噪声传播途径和前人的实验分析,提出了主控阀后置单向阀的降噪设计方案。首先仿真分析主控阀不同开度、奇点处到圆角处理、阀杆导流处理等结构参数对流体噪声的影响,选择了结构与噪声的最优组合。然后理论计算阀口受力、单向阀阀芯流量是否满足要求,单向阀圆柱压缩弹簧的刚度、强度、可靠性进行校核,确定了主控阀后置单向阀的结构,并再次仿真对比分析了原阀和改进阀的流场分布情况,间接判断改进后结构是够可以降低小型制氧机主控阀的均压噪声。最后加工所设计的主控阀,在实验室内测量改进后结构在有无机壳情况下的均压噪声,氧气浓度。实际数据说明在阀口倒圆角、增大开度、主控阀后置单向阀后均压噪声得到有效控制。
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