Fluid-dynamic noise in control devices

The high flow capacity of rotary control valves, increases the probability of noise generation in the plant. Depending on some geometric characteristics, the noise production can be characterized by broad band noise or tonal noise. When the latter condition occurs, the generated noise could overcome the limit of acceptance and the device does not respect the standard of usability. The first part of this work deals with experimental analysis of aerodynamic noise in a rotary control valve. The experimental tests have been performed, according with the International Standards, using a pilot plant with 3” steel pipes feed by an air compression system. The characterization of the noise intensity, vibration and sound pressure has been measured by mean a PCB accelerometer and a sound level meter. The aim of the experimental campaign was to understand under which fluid-dynamic conditions and geometrical characteristics of the valve tested, an acoustic resonance could arise. The diameter of the plates inserted in the trim valve together with angle of incidence were found to be the main parameters to control the acoustic resonance. The first results of the experimental analysis allowed the solution of a specific problem of noise generation on a real case and gave significant information on the parameters that affect the aerodynamic noise generation in this type of valves. Starting from the observations of the experimental results, in the second part of the thesis, the results of an acoustic modal analysis were compared with the previous outcomes. The natural frequencies of different perforated plates placed in a circular duct (configuration which mimics the full open control valve condition) were considered to verify which of them are responsible of the tonal noise, generated by the interaction between the flow field and the acoustic one, observed in the experimental tests. To do this, the frequency modes consistent with the tonal noise generation, were numerically investigated by changing the geometrical characteristic of the device. By considering the rotary valve fully open, we especially investigated the effects of the plate thickness, the hole diameter and distribution. The main outcomes has demonstrate the existence of trapped acoustic mode for geometry of that type and moreover one of the computed mode was comparable with the acoustic frequencies recorded during experimental tests. In the final part of the work an experimental investigations of perforated and solid plates at zero incidence in a free surface water channel was done. The aim of this study was to determine how the plate perforations interact with the fluid flow over the surface of the plate and how the core hydrodynamic quantities, such as drag forces and frequencies of plate vibration, deviate from those of the reference case of the solid plate. To achieve those goals, a triaxial load cell was employed to measure hydrodynamic forces and plate vibration frequencies, while flow streak visualization was employed to provide qualitative information about the flow structure. The effect of the diameter of plate perforation on the drag coefficient and Strouhal number was investigated for three different hole diameters as well as the reference case of the solid plate (no perforations,) and at five different flow speeds. The frequency spectra extracted from the force data measured by the load cell showed a linear increase of the dominant frequencies with the flow speed in accordance with the Strouhal law, but the proportionality coefficient was reduced as the hole diameter increased. The drag coefficient was also relatively constant with respect to the speed of the incoming flow, but, in contrast to the Strouhal number, its value increased with the increase of the hole diameter. The effect of the perforations on these data trends is explained through the qualitative flow visualization, which shows formation of recirculation zones inside the holes and quasi-periodic ejection of the trapped fluid from the perforations.

L'elevata capacità di flusso di valvole di controllo rotative, aumenta la probabilità di generazione di rumore negli impianti. A seconda di alcune caratteristiche geometriche, la produzione di rumore può essere caratterizzata da un rumore diffuso o da un rumore tonale. Quando si verifica l'ultima condizione, il rumore generato può superare il limite di accettazione e il dispositivo non rispetta gli standard di usabilità. La prima parte di questo lavoro si occupa dell’analisi sperimentale di rumore aerodinamico in una valvola di controllo rotativa. Le prove sperimentali sono state eseguite, in base alle norme internazionali, utilizzando un impianto pilota con tubi di acciaio da 3" alimentato da un sistema di aria compressa. La caratterizzazione del livello di intensità del rumore, delle vibrazioni e della rumorosità è stata misurata con un accelerometro e un fonometro. Lo scopo della campagna sperimentale era comprendere quali condizioni fluidodinamiche e le caratteristiche geometriche della valvola testata, che portassero ad una risonanza. Il diametro dei fori delle piastre inseriti nella valvola di regolazione unitamente all’angolo di incidenza sono stati identificati come i principali parametri per controllare la risonanza acustica. I primi risultati dell'analisi sperimentale hanno consentito la soluzione di un problema specifico di generazione di rumore in un caso reale e hanno fornito informazioni significative sui parametri che influenzano la generazione del rumore aerodinamico in questo tipo di valvole. Partendo dalle osservazioni dei risultati sperimentali, nella seconda parte della tesi, i risultati di un’ analisi modale acustica sono stati confrontati con i risultati precedenti. Le frequenze naturali delle diverse piastre forate disposte in un condotto circolare (configurazione che imita la condizione valvola di controllo completo aperta) sono state considerate per verificare quali siano responsabili del rumore tonale, generato dall'interazione tra il campo di flusso e quella acustica, osservato nelle prove sperimentali. A tale scopo, le frequenze dei modi acustici compatibili con la generazione di rumore tonale, sono stati investigati numericamente modificando le caratteristiche geometrica del dispositivo. Considerando la valvola rotativa completamente aperta, in particolare abbiamo studiato gli effetti dello spessore della lastra, il diametro del foro e la loro distribuzione. I principali risultati ha dimostrato l'esistenza di modi acustici intrappolati per la geometria di questo tipo ed inoltre una dei modi calcolati era comparabile con frequenze acustiche registrati durante prove sperimentali. Nella parte finale del lavoro è stata effetuata un’indagine sperimentale su piatti forati e pieni, a incidenza pari a zero, in un canale di acque di superficie. Lo scopo di questo studio era di determinare come le perforazioni della piastra interagiscono con il flusso di fluido sulla superficie della piastra e con le quantitatà idrodinamiche principali, quali forze di attrito e frequenze di vibrazione del piano, si discostano da quelle del caso di riferimento del piatto pieno. Per raggiungere questi obiettivi, una cella di carico triassiale è stata impiegata per misurare le forze idrodinamiche e frequenze di vibrazione del piatto, mentre la visualizzazione di particelle disciolte nel flusso flusso è stata impiegata per fornire informazioni qualitative sulla struttura del flusso. L'effetto del diametro della piastra di perforazione sul coefficiente di resistenza e sul numero di Strouhal è stato studiato per tre diversi diametri di foro nonché per il caso di riferimento della piastra piena (senza perforazioni) e in cinque diverse velocità di flusso. Gli spettri di frequenza estratti dai dati di forza misurati dalla cella di carico ha mostrato un aumento lineare delle frequenze dominanti con la velocità di flusso in accordo con la legge di Strouhal, ma il coefficiente di proporzionalità si riduceva con l’aumento del diamtro del foro. Il coefficiente di resistenza è relativamente costante rispetto alla velocità del flusso in entrata, ma, a differenza del numero di Strouhal, il suo valore è aumentato con l'aumento del diametro del foro. L'effetto delle perforazioni su sui risultati è stato spiegato attraverso una visualizzazione qualitativa del flusso, che mostra la formazione di zone di ricircolo all'interno dei fori ed eiezione quasi-periodica del fluido intrappolato dalle perforazioni.