輸氣管網(wǎng)流噪聲研究

顏士逵，林 業(yè)，夏宇峰

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處 合江輸氣作業(yè)區(qū), 四川 瀘州 646200；3. 中國石油西南油氣田分公司華油公司 凱源萬州分公司, 重慶 萬州 404040）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市化程度的提高，許多曾今孤立于偏遠地區(qū)的場站已經(jīng)被新興的城鎮(zhèn)所包圍，而場站所產(chǎn)生的各種噪聲也隨之嚴(yán)重地影響到了周圍群眾的正常生活與工作。天然氣場站管網(wǎng)存在多種工藝管線和管件等聲源發(fā)聲體。管網(wǎng)運行時，噪聲主要是由匯管、彎頭以及閥門開度調(diào)節(jié)等產(chǎn)生。其中許多聲源為流體動力性噪聲。

流體動力性噪聲指運動著的流體和靜止固體邊界相互作用以及運動流體內(nèi)部湍流引起的輻射噪聲。主要的激發(fā)機理為固體與流體相對運動以及流體自身不規(guī)則運動所激起的流體內(nèi)部壓力及應(yīng)力的擾動在介質(zhì)中的傳播[1,2]。

1 流噪聲理論研究

1.1 Lighthill聲比理論

Lighthill（1950）成功地對流體力學(xué)基本方程進行重新變換，并且將脈動的氣體密度作為獨立變量，比擬流體力學(xué)方程左端項為自由空間的聲傳播波動算子，方程的右端項定義為流動噪聲的聲源項[3]。

在笛卡爾坐標(biāo)系下微分形式的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程可表示為：

Lighthill通過質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，推導(dǎo)出了著名的Lighthill方程：

式中：ρ—流體的密度；

c0—未受擾動流體的聲速；

Tij—Lighthill應(yīng)力張量。

p—流體中的壓力；

xi—空間固定坐標(biāo)系，在湍流流動區(qū)域外的平均流動速度為零。

Lighthill方程，描述了由方程右端的聲源分布產(chǎn)生的聲傳播的控制方程。

Lighthill原始的氣動聲學(xué)方程是以密度波動的形式給出的，但是由于在聲級的描述以及聲學(xué)實驗測量分析中，普遍實驗聲壓量 ，因此方程(3)可以簡化為：

式中，q描述了聲源分布，可由下式給出：

Lighthill從流體力學(xué)基本方程出發(fā)，假定包圍流場的是一個無限大均勻靜止介質(zhì)（其聲波傳播速度和密度是常數(shù)），推出流動噪聲的聲源項可以用一個在流體流動空間分布的聲學(xué)四級子描述，這個等效的四級子的強度就是Lighthill應(yīng)力張量，這個應(yīng)力張量由流動區(qū)域的湍流脈動特征所決定。Lighthill聲類比理論的提出，建立了解決流動噪聲問題的理論基礎(chǔ)[4-6]。

1.2 Curle理論

Lighthill聲擬理論適用于忽視固體邊界作用的條件，是在無界空間中的氣流噪聲基礎(chǔ)上建立起來的。然而在現(xiàn)實生活中，固體邊界的影響是不可忽視的，占有極其重要的地位。

Curle（1955）成功利用基爾霍夫方法將Lighthill理論應(yīng)用到含有靜止固體邊界影響的條件，并得出相應(yīng)結(jié)論：靜止固體邊界的作用等同于偶極子源完全分布于整個固體邊界之上，且任意點的偶極子源強度等于該點作用在流體上的力的大小[7]。Curle關(guān)于Lighthill方程的積分解公式如下：

第三個積分項表示每一個面源dS（yi）輻射的基本聲波與強度是-fidS（yi）的偶極子聲源輻射的噪聲波相同。其中，fi表示流體作用在固體邊界單位面積上的力:

式中：ni—垂直固體表面的單位矢量；

τij—作用在固體表面的粘性應(yīng)力張量[4]。

如式（7）所示，聲場由空間分布的四級子qij、空間分布的偶極子 qi和面積分布的偶極子 fi等組成，該式對于空間任意觀測點 都是有效的。Curle理論的提出為繞流物體風(fēng)鳴噪聲、圓柱漩渦脫體噪聲等問題提供了有效的理論依據(jù)。

1.3 FW-H理論

1969年，F(xiàn)fowcs Williams 和 Hawkings采用廣義函數(shù)法在 Curle理論基礎(chǔ)上，推廣到非靜止固體壁面對聲音的影響，即運動固體對流體中的發(fā)聲問題，同時推導(dǎo)出FW-H方程：

式中：ρ′—氣體密度變化，kg/m3；

p′—氣體壓力變化，Pa；

f—廣義函數(shù)；

δ（f）—狄拉克函數(shù)。

方程向人們解釋了非靜止固體邊界和運動流體相互作用所產(chǎn)生的聲場由3部分組成：表面加速度作用產(chǎn)生的聲源（單極子源）、表面壓力脈動引發(fā)的聲源（偶極子源）和流體內(nèi)部湍流引起的噪聲（四級子源）。FW-H方程的成功提出為解決螺旋槳、葉輪、壓縮機轉(zhuǎn)子等輻射噪聲問題提供了確實可行的工具[8-9]。

1.4 Powell-Howe渦聲理論

由于Lighthill方程并不是封閉的，它將流場與聲場人為地分開。在針對流場—聲場相互作用；聲波能量在流體中的產(chǎn)生、傳遞等基本聲學(xué)問題時，則需要對Lighthill方程中的源項進行重新定義。

1964年，Powell假定氣動聲起源可能歸因于漩或渦的形成過程，這一作用引起渦的形成，同時引起聲輻射。并從Llight基本方程出發(fā)，推導(dǎo)出Powell理論，其理論形式如下：

式中：p—聲壓；

c0—參考聲速（取遠場的聲速）；

與Lighthill理論類似，他們都是將方程的左邊表示成達朗貝爾古典波動算子的形式，而將其他項都并到方程的右邊，并根據(jù)古典聲學(xué)的理論將其理解為聲激發(fā)源。不難發(fā)現(xiàn)，在小馬赫數(shù)下作展開，其聲源項主項是一致的。從本質(zhì)出發(fā)，Powell理論能夠更好的解釋流場中的發(fā)聲機制，使得物理模型在特定前提下大大得到了簡化，從而對流動發(fā)聲的理論研究和數(shù)值計算更加方便[10-11]。

2 流噪聲軟件模擬研究

比利時LMS（Leuven Measurement & System）公司開發(fā)的振動—流體模型分析軟件：SYSNOISE，作為首家將邊界元（BEM）應(yīng)用到聲學(xué)領(lǐng)域的商業(yè)軟件，它采用了邊界元法和有限元法兩種數(shù)值計算方法，不僅能夠計算模型的聲學(xué)響應(yīng)，如聲壓、聲強及聲功率等，還能計算聲載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)；同時SYSNOISE還能對聲波的傳遞、折射、散射和輻射進行預(yù)測。

針對不同的分析類型，SYSNOISE可以建立不同的流體模型，也可以建立流體模型和結(jié)構(gòu)模型的耦合模型。

SYSNOISE可以在頻率或時域計算振動-聲作用，包括結(jié)構(gòu)振動對聲的影響、聲載荷對結(jié)構(gòu)的影響；能計算聲場任意點處的聲輻射功率、聲強、聲壓、能量密度、流體模型的模態(tài)等問題；還能與其他軟件結(jié)合，進行降噪、減噪優(yōu)化分析。

SYSNOISE有著強大的前處理和后處理功能：網(wǎng)格檢查與修正；計算結(jié)果云紋圖、變形圖或向量圖；繪制聲場任意點的響應(yīng)函數(shù)曲線等問題都能夠得到準(zhǔn)確的解決[12]。

文獻[13]中孟令雅教授以輸氣管道中氣體流經(jīng)閥門時產(chǎn)生的氣動噪聲為研究對象，采用FW-H法和BEM法兩種方法來獲取氣動噪聲聲源。經(jīng)兩種方法比較可以發(fā)現(xiàn)用BEM法計算效率高、精度高，能夠?qū)β晥鲋腥我稽c的聲學(xué)量進行求解[13]。

3 流噪聲治理措施研究

結(jié)合生產(chǎn)實際，為減輕工藝場站對周邊環(huán)境的影響，主要可通過調(diào)整工藝運行方案和更換部分設(shè)備、零部件等方法實現(xiàn)噪聲的降低[14-16]。

（1）管道內(nèi)降噪。管道內(nèi)置式消聲器是降低管道噪聲的重要消聲設(shè)備。其原理是當(dāng)天然氣在管道中流通時，在管道內(nèi)側(cè)設(shè)置小孔吸聲裝置，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。

（2）管道外敷材料降噪。吸聲降噪材料是指吸聲系數(shù)比較大的非金屬材料，通常為多孔纖維。當(dāng)聲音傳入構(gòu)件材料表面時，聲能一部分被反射，一部分穿透材料，還有一部由于構(gòu)件材料的振動或聲音在其中傳播時與周圍介質(zhì)摩擦，由聲能轉(zhuǎn)化成熱能，聲能被損耗，即通常所說聲音被材料吸收。

（3）管路設(shè)計降噪。首先，與彎管相比，平直管道不易激發(fā)因彎管急彎所引起的驟然湍流脈動而產(chǎn)生的噪聲；其次，短管道能有效縮短噪聲源，起到降低產(chǎn)生噪聲的源強的效果；再者，大管徑管道可以達到降低管路工作雷諾數(shù)的效果，同時能夠增加流噪聲的傳播衰減因子；最后，相較于急彎，平穩(wěn)圓滑地通過彎管能極大減小彎頭處流體速度、壓力的變化，從而起到減弱噪聲源的作用。

在實際生產(chǎn)中還可以根據(jù)各自場站的輸量特點做出其他行之有效的降噪措施，如：文獻[17]中所提到的“改單支路運行為雙支路甚至三支路運行”。近年來由于用氣量增長較快，城鎮(zhèn)用戶未能嚴(yán)格按照城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范設(shè)置儲氣設(shè)施，使得瞬時最大供氣量超限和均衡系數(shù)超標(biāo)，超出原有工藝設(shè)計要求，從而造成場站噪聲超標(biāo)。增加場站的工藝管線不僅可以根據(jù)用氣量調(diào)整工藝運行方案，平穩(wěn)工期，滿足用戶，而且能減低場站噪聲，并為進一步擴大輸量奠定基礎(chǔ)[17]。

4 結(jié)束語

輸氣管網(wǎng)流噪聲已然對周邊居民的生活、工作造成了重大的影響，并且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，如何有效降低噪聲等級，減輕其對周邊的影響成為當(dāng)下亟待解決的難題。。

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