高壓差流量調節閥流道低噪聲優化設計

方 超，馬士虎，蔡標華，俞 健

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

調節閥作為船舶海水系統中最常規的設備，其主要作用是調節海水系統的壓力、流量等參數。流量調節閥在工作時流道內存在湍流、漩渦、分離、空化等復雜的流動現象[1-5]，水力能量大量轉化為摩擦耗能、熱能、聲能等。隨著船舶系統對調節閥低噪聲性能的要求越來越高，傳統的單流道調節閥已無法適應高壓差的運行工況，必須對傳統流道進行優化降低調節閥流噪聲。本文針對上述問題，運用CFD的手段對原調節閥的內流道流場進行分析，從改變調節閥能量損耗分布的角度提出流道優化方案，并對優化流道進行了驗證性數值分析，可為高壓差流量調節閥流噪聲控制提供參考。

1 流道幾何模型和數值方法介紹

1.1 幾何模型

圖1是流量調節閥的結構圖，傳統球閥采用大通徑單流道，通過手動、電動或者液動控制球體通道軸線與管道軸線之間的角度達到調節閥門開度的目的，進而調節閥門流量。閥門進出口通道與球體通道共同構成閥門的流道。調節閥進出口管道及閥芯的通徑均為100 mm。

流量調節閥內流道如圖2所示，本文采用全閥模型作流場計算，完全按閥門圖紙生成數值計算域，利用三維設計軟件CATIA建立幾何模型，畫出流量調節閥的內部流場。為保證流體進口穩定、出口充分發展和符合實驗情況，對閥門流道進行了修正，即閥前和閥后分別加長1 000 mm，同時只保留管道和閥芯結構，對閥門其他結構做簡化處理。

1.2 數值方法介紹

流量調節閥水力性能與流噪聲特性相關，本文采用流體動力學計算方法計算調節閥內流道流場和優化后的調節閥流道流場，下面簡單介紹所采用計算方法。

對流道內流體流動狀態進行求解計算時，首先利用基于模型的SST湍流模型進行內流場穩態計算，在穩態計算的基礎上再采用大渦模擬LES方法進行流量調節閥內流場非穩態計算。

在笛卡爾坐標系下，不可壓縮的粘性流動采用張量的形式表示的時均化連續性方程和RANS方程可以寫為：

式中：為速度分量的時均值；為速度分量的脈動值；為速度分量的時間平均值；為流體動力粘性系數；為源項。

基于模型的SST湍流模型不僅解決了湍流剪切應力的傳輸問題，而且對逆壓梯度下產生的分離流具有精準的預測，其基本方程如下：

式中：為湍流的生產率。

LES模型認為湍流是由大小不同尺度的渦組成，流場瞬時變量由濾波函數可分為大渦運動和小渦運動，大尺度渦可由瞬態N-S方程直接模擬，不直接模擬小尺度渦，其對大尺度渦的影響采用亞格子模型模擬。經過濾波函數處理的大渦模擬控制方程為：

式中：為分子粘性引起的應力張量；為亞格子尺度應力，體現小尺度渦對運動方程的影響。

在數值格式方面，速度和壓力的耦合采用PISO方法，對流項使用二階迎風格式來離散，控制方程中的擴散項使用二階精度的中心差分格式離散，湍流各項均采用二階迎風差分格式，時間項采用有界二階精度的中心差分格式。

2 原流道流場計算結果

2.1 結構離散及邊界條件

利用CATIA建模之后，將調節閥內流道三維實體導入ICEM進行流場計算的前處理工作。計算域內網格分布是流體流動控制方程數值離散的基礎，網格質量將對計算的斂散性和計算結果的精度產生直接影響。閥芯附近流道拓撲結構復雜，閥門兩端延長管道拓撲結構相對簡單，為兼顧計算效率和計算精度，采用混合網格的劃分方案，即流量調節閥附近采用非結構化的四面體網格且網格適度細化，兩端延長管道采用結構化的六面體網格，管道及閥內壁面附近采用加密的邊界層網格，3種網格總數約為236萬，如圖3所示。經過多次調整保證，同時經過網格無關性驗證，計算殘差曲線收斂良好，滿足計算精度要求，因此網格劃分合理。

根據船舶海水系統流量調節閥典型的高壓差運行工況特點，流量調節閥進口壓力高達1.8MPa。水艙與大氣相通，背壓為一個標準大氣壓。故進口邊界設為壓力進口1.8MPa，出口邊界設為壓力出口0。海水介質屬于粘性流體，在管壁以及閥芯內壁出，速度的邊界條件滿足無滑移條件，即固壁上的速度。

2.2 流場計算結果分析

流量調節閥內流道計算采用計算流體力學通用軟件Fluent，計算的工況點流量選擇120 t/h，根據數值試驗確定閥門開度為38°。首先利用RANS模型對計算域進行定場計算，計算穩定后采用LES模型進行非定場計算。LES大渦模擬在模擬湍流、漩渦脫落及壓力脈動等方面具有較大優勢，先進行定場計算的目的是加快非定場計算收斂的速度。

圖4是原調節閥內流道壓力分布云圖，從圖上可以看出，最低壓力區出現在閥后區域，并且低壓區面積較大，最低壓力為–4.036×105Pa，此壓力低于常溫下的飽和蒸汽壓力，因此閥后海水發生空化，誘發空化噪聲。在調節閥前后高壓差的作用下，海水介質經過閥門時，流通面積收縮導致海水流速迅速提高。由伯努利方程[6]可知，海水流速迅速增大伴隨著海水壓力的迅速降低，直到低于飽和蒸汽壓力發生空化。海水介質流速過大、壓力過低的原因是閥門阻力較小，在高壓差的工況下，閥門開度較小就能滿足工況的流量要求。圖5為原閥內流道速度分布云圖，在流通面積達到最小時，海水流速達到最大，分別位于閥芯進口處和閥芯出口處，最大值為47.93 m/s。

圖6是原調節閥內流道湍動能分布云圖，湍動能與流體介質的速率變化有關，能直接反映速率變化的快慢，湍動能高的部位說明流體速率變化的梯度比較大，速率變化梯度大容易形成強大的剪切層，強剪切層在大雷諾數流動中會失穩卷成漩渦，從而形成渦流噪聲[7-8]。因此閥門設計時，應盡量使流道內流體介質流速均勻、平穩，這也是閥門降噪關注的重點。從湍動能云圖可以看出，調節閥內流道最高湍動能為182.8 m2/s2，流速急劇變化的區域主要集中閥芯出口以及閥后區域。

圖7是原調節閥內流線圖，從圖中可以看出閥芯進口下緣、閥芯上緣以及閥芯出口下緣均出現局部漩渦結構，漩渦的出現對流場的穩定性造成影響，消除漩渦是閥門降噪的優化方向之一。

3 流道優化及優化流道計算結果

3.1 優化流道設計原理及幾何模型

調節閥的節流過程可歸結為在節流件的局部流阻上損耗能量，流體介質在閥門上的節流損失主要轉化為摩擦耗能、熱能、聲能等。當閥門阻力系數一定時，相同工況下原閥門和優化后的閥門產生的水力功耗相同，因此流量調節閥的低噪聲優化應著力于調整損耗能量的分配上，即盡量抑制水力能量向聲能轉化，減小聲能在水利功耗中的整體占比。

一般而言，流量調節閥的水力設計方法主要有3種：結構法、射流法和粘滯閥[9]。

1）結構法是通過構造調節閥通流部分的結構使工作液體流向受到結構改變而損耗能量，常見的構造結構類型有突然擴張、轉彎、阻礙等，本文中的流量調節閥原流道結構即為此類。

2）射流法是利用主流面積與節流面積之間的差異引起速度聚變從而達到損耗能量的目的。工作液體進入節流口和流出節流口時都伴隨著射流壓降損失。

3）粘滯法是使調節閥內的工作液體與調節閥通流部分的內壁面產生粘性摩擦進而損耗水力能量。為滿足節流件的阻力系數，一般會選擇增大調節閥流道內的通流面積。粘滯法的設計思路可提高摩擦耗能、熱能在水力損耗中的占比，抑制損耗能量向聲能和振能轉化。

根據上節調節閥內流道流場分析可知，原流量調節閥流噪聲突出的主要原因為：大流量工況下，閥門開度較小，流體流速較高形成射流，且開度較小時閥芯與主流間夾角太小，導致流體突然轉向，增加流場的不穩定性，速率梯度較大，誘發閥芯前后漩渦的形成，射流和漩渦均導致能量損耗向聲能集中。

本文基于粘滯法，提出對原閥內流道進行分割的優化設計方案，將閥芯大通徑單流道改進為小通徑多流道，增大工作液體與通流內壁面的摩擦面積，提高摩擦耗能在水力能量損耗中的占比，相應減小聲能占比，因此流噪聲可得到抑制。優化后的閥芯通流面積減小，所以相同阻力系數下，優化后的閥門開度也會相應增大，閥芯與主流夾角變小，可避免流體突然大角度轉向引起流動不穩定。優化結構模型如圖8所示。

3.2 優化流道流場計算結果分析

在相同工況下對優化后的流道流場進行數值計算，流量調節閥的開度由數值試驗確定，保證計算模型與原閥內流道計算模型具有相同的阻力系數。

優化流道壓力分布如圖9所示，從圖中可以看出優化流道中最低壓力為–0.21 MPa，相對于原閥的最低壓力–0.40 MPa有所提高，閥后低壓區面積大幅減小，海水的空化現象得到有效抑制。由圖10可知，優化流道的最大流速由47.93 m/s降到43.22 m/s，流道內整體的流速下降說明優化流道摩擦面積增大，閥門內流體介質受到的阻力增大，水力耗能中摩擦耗能占比增加，聲能占比減小，并且流速降低的同時湍流強度會隨之降低，相應湍流噪聲強度降低。

優化流道的湍動能分布如圖11所示，從圖中可以看出最高湍動能為156 m2/s2，相對于優化前的閥門最高湍動能182.8 m2/s2明顯下降，說明閥門優化流場參數分布更均勻，流速的變化更加平穩，湍動能的降低意味著流噪聲得到很好的抑制。

優化流道的流線如圖12所示，從圖中可以看出流道優化后閥芯進口下緣和閥芯后部的漩渦范圍和強度均有所減小，閥芯內部的漩渦由于流道被分割得到完全地消除，因此優化流道后調節閥的渦流噪聲得到抑制，低噪聲優化效果明顯。

4 結 語

本文采用計算流體力學方法對流量調節閥的內流道流場進行分析，基于流場分析結果，提出了分割流道的低噪聲優化設計方案，并對優化后的流道流場進行仿真計算，得出以下結論：

1）高壓差工況下，由于閥門的節流作用，閥芯出口處流體壓力迅速降低，低于飽和蒸汽壓力，閥后局部發生空化，引起空化噪聲；閥門流道結構突變引起流體流速變化不均勻，剪切層失穩在閥芯前后及內部卷成漩渦，形成渦流噪聲。

2）通過對調節閥內流道進行分割優化設計，以小通徑、多流道代替大通徑、單流道，使閥門內流道摩擦面積增大，摩擦耗能在水利損耗中占比增加，減小了水力能量向聲能的轉化；優化后的流道最大流速降低，最低壓力提高，湍動能下降，流道內流體流動更平穩，閥門流噪聲得到有效抑制，優化方案為流量調節閥的低噪聲優化設計提供了參考方向。

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