基于声学模拟和小波包降噪的疏水阀内漏状态预测研究

作     者：刘金伟 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李树勋

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：蒸汽疏水阀 状态预测 阀门内漏 声流固耦合 小波包降噪 

摘      要：随着我国积极推进“双碳战略目标和绿色高质量发展政策,工业领域的节能提效已成为实现可持续发展的必要手段之一。蒸汽疏水阀作为蒸汽系统和冷凝水系统的分割点,其内漏检测对系统节能具有重要意义。为满足国内某蒸汽疏水阀生产厂家配套产品预测性维护的需求,开展内漏声学数值模拟、内漏信号降噪算法及声学内漏检测研究,从而实现快速、准确地预测蒸汽疏水阀内漏状态,为此,进行了以下深入研究:(1)以PN40DN15倒吊桶式蒸汽疏水阀为研究对象,基于声流固耦合理论开展阀门内漏流场及声学数值模拟研究。通过建立准确可靠的阀门内漏计算模型,探究阀门内漏过程的流场分布特性,得到蒸汽内漏过程中速度可达525.691m/s,引起强烈的偶极子和四极子噪声。在此基础上,探究蒸汽内漏射流过程的声场特性,研究表明内漏噪声能量主要分布低频段,内漏噪声与内漏量存在正相关关系,内漏孔径对内漏量及声学强度影响较大,而阀前压力影响较小,从而内漏孔径和阀前压力是影响内漏量和声学强度关键参数。(2)基于阀门内漏声发射检测原理,对声发射传感器、信号控制器及信号处理器进行选型,开展低噪声前置放大器及低纹波电源模块的设计,从而实现微弱声信号的采集。(3)基于能量、峭度及熵相关的定义,选取最优的小波基函数及分解层数实现小波包分解,并选用信噪比、均方根误差评价指标对改进阈值函数的参数进行优选设计改进小波包降噪算法。通过改进小波包对仿真声发射信号降噪研究,研究表明该算法有效抑制信号的高频噪声并突出其有用信息,便于后续实测信号的降噪。(4)基于Lighthill声学理论和马大猷声功率相关定律,建立阀门内漏声发射信号与影响内漏量关键参数的关系,从而开展阀门内漏声发射试验。通过对不同工况下实测声发射信号进行波形和频谱分析,结果表明随着内漏孔径的增大,信号能量逐渐增加,信号能量主要分布在低频段,幅值较大的频率为14k Hz。进而基于改进小波包的信号降噪算法对声发射信号进行降噪处理,提取其特征参数AE并拟合蒸汽疏水阀内漏模型,实现通过声发射内漏信号预测其内漏状态。以上研究表明,蒸汽疏水阀的内漏声学特性可作为内漏状态判断依据。对内漏声发射信号进行改进小波包降噪处理,结合Lighthill声学理论及马大猷声功率相关定律建立了可靠的阀门内漏状态预测模型,实现准确地预测阀门的内漏状态。