平衡閥流場噪聲數值仿真與試驗研究

李小飛 朱文鋒

1 韶關市起重機有限責任公司 韶關 512025 2 長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室 西安 710064

0 前言

流體流動中的速度脈動、黏性應力及熵波動的非線性相互作用產生的非穩定流動均會產生聲波[1]。平衡閥流場噪聲包括氣穴噪聲、湍流噪聲和脈動噪聲等。氣穴噪聲是液壓油高速流過閥口時，液壓油內壓力會降低，溶解的空氣析出，或液壓油汽化，內部形成大量氣泡，當油壓升高，氣泡被擠壓發生潰滅，釋放能量，從而形成振動、噪聲等現象。脈動噪聲是閥口噴射流在下游形成的強烈流體剪切形成的，易誘發刺耳的嘯叫噪聲。湍流噪聲是流動中的雷諾應力輻射的噪聲，輻射效率較低，一般不考慮。

1 國內外研究現狀

近年來國內外很多學者對流場噪聲進行了研究。姜世杰等[2]針對高速列車外流場氣動噪聲完成了在線測試研究，進行了列車模型湍流流場模擬，完成了列車遠場氣動噪聲的預測研究。王春林等[3]對液下泵內部流動的非定常特性及噪聲規律進行了研究，通過流體和聲學軟件相結合的間接混合計算方法，對液下泵內部流場及聲場進行求解。Kudzma Z等[4]對液壓錐閥進行流量和空化的研究，對三種不同形狀的錐閥閥芯進行研究，通過聲學和空化試驗表明，錐閥閥芯具有最小的錐角和最高的臨界速度，則空化噪聲最小。陸亮[5]對U形和V形兩種典型節流閥口的空化流動和噪聲進行了研究。通過空化噪聲信號的頻域分析，得到了空化噪聲主頻實驗值。研究發現液壓油的黏度會使空泡潰滅延緩，造成噪聲主頻降低。研究還發現V形節流閥口的高速射流與下游腔體的液體形成強烈剪切，誘發單頻噪聲。陸亮等[6]對插裝式溢流閥流體自激振蕩進行了研究，發現流渦頻率與Rossiter半經驗公式計算得到的自激振蕩頻率比較接近，自激振蕩主頻與腔底壓力波動頻率之間存在直接關系，為降低插裝閥的閥芯振動提供了參考。傅新等[7]利用高速攝像機和噪聲頻譜分析等手段對U形閥口的氣穴和噪聲進行了研究，研究了進口壓力、閥口開度和回油背壓對氣穴和噪聲的影響。此外高紅等[8]早期利用工業纖維鏡與高速攝像機等可視化系統，多方位觀察了閥口附近的 氣血現象，并用位移傳感器檢測了氣穴流場誘發的閥體與閥芯振動。李惟祥等[9]對插裝式液壓錐閥進行了穩態和動態分析，分析了錐閥發生振動的原因是錐尾環縫節流導致穩態液動力使閥口趨于開啟，通過改進閥腔結構，可以減輕錐閥振動，但易于產生氣蝕和噪聲。陸倩倩等[10]研究了2D伺服閥先導閥口處氣穴現象的影響因素及對閥芯穩定性的影響，分析了出口壓力、入口流速和閥口開度對氣穴現象的影響。但佳壁等[11]結合大渦模擬湍流模型和聲比擬方法，對排氣噴射流噪聲進行了仿真研究，研究了直管和擴張管兩種尾管的噴射流噪聲。

目前噴射流噪聲主要集中在氣動噪聲領域，液壓閥的噴射流噪聲研究較少。針對液壓閥的流場噪聲進行的研究主要是考慮氣穴噪聲，而忽略了流場的脈動噪聲。液壓閥出現的尖銳嘯叫噪聲主要是流體脈動噪聲。本研究針對平衡閥進行研究，該型號平衡閥應用于某型隨車起重機上。在控制壓力較低時，平衡閥容易出現尖銳的嘯叫噪聲，本研究針對該問題，對平衡閥流場噪聲進行仿真和實驗分析，為平衡閥降噪提供一定指導。

2 仿真模型

圖1所示為某型號隨車起重機液壓系統的平衡閥結構簡圖。

圖1 平衡閥結構簡圖

目前流場的數學模型主要是納維-斯托克斯方程，在采取一定的簡化后，可進行理論求解，但過程比較復雜。本文利用常用的流場仿真軟件Fluent進行流場數值求解。首先利用ProE軟件建立平衡閥的三維模型，然后抽取內流道的模型，并將其導入ICEM-CFD中劃分網格，網格采用非結構網格，閥口處是流場氣穴和噪聲產生的主要區域，故將閥口處的網格進行局部加密處理，最終的網格模型如圖2所示。考慮到平衡閥內流場存在氣泡，流場是液-氣兩相的混合流動，采用混合物多相流模型。

圖2 流場網格

湍流模型選擇RNG k-epsilon模型，近壁面采用強化壁面處理，流場介質采用46號耐磨液壓油，密度為850 kg/m3，動力粘度為0.0391 Pa·s，氣相密度為1.225 kg/m3，動力粘度為 1.26×10-6Pa·s。

平衡閥內液壓油流動的噪聲包括氣穴噪聲、流體脈動噪聲和湍流噪聲等。文中以Fluent自帶的寬頻噪聲模塊進行數值計算。氣穴的模型采用Zwart-Gerben-Belamri模型。

3 數值計算

平衡閥的入口壓力與隨著起重機的吊載有關，根據隨車起重機的最大吊重，選取3 MPa、6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa為入口壓力pin進行仿真，出口壓力為背壓0.3 MPa。改型平衡閥的最大開口度為1.2 mm，選取0.8 mm、1 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.67 mm等閥芯開度x0進行仿真。

以閥口開度1.2 mm，入口壓力15 MPa為例進行說明。如圖3所示為流場對稱面壓力云圖。從圖3中可以看出，閥口處依附于閥芯外壁面的部分區域壓力非常低。圖4為流場對稱面流速云圖，從圖4可以發現，閥口處的流速較大，最大約172 m/s，且呈現明顯的噴射流狀態。在回油腔中心區域也存在射流區域。

圖5所示為流場對稱面氣相體積分數，可以看出，在閥口處氣相體積分數很大，與圖3所示的低壓區一致，氣相體積分數最大值約94%，說明閥口產生了氣化現象。圖6所示為流場對稱面噪聲云圖，在閥口部分的噪聲最大，達到了131 dB，此處主要是產生了氣穴噪聲和噴射流噪聲。在回油區依然存在較大噪聲，從圖5可以看到，此區域并沒有產生氣穴，故不存在氣穴噪聲。由圖4的速度云圖可以發現，回油區的中心區域流速很高，而邊緣區域流速較低，故回油區會產生強烈的剪切流，產生流體脈動噪聲。

圖3 流場對稱面壓力云圖

圖4 流場對稱面流速云圖

圖5 流場對稱面氣相體積分數

圖6 流場對稱面噪聲云圖

4 入口壓力和閥口開度對流場噪聲的影響

考慮入口壓力對流場噪聲影響的情況下討論，閥口開度為1.2 mm時，不同入口壓力工況下流場對稱面各參數變化趨勢如圖7～圖9所示。由圖7～圖9可知，隨著入口壓力的升高，流體最大流速和最大噪聲均不斷升高，最大流速達到了203.1 m/s，最大噪聲達到了133 dB。最大氣相體積分數在入口壓力達到15 MPa后趨于穩定，在93%左右。該趨勢說明，隨著入口壓力的升高，閥口處液相與氣相的相互轉化程度越來越高，最后趨于穩定。與此同時，流體流速越快，湍流噪聲和脈動噪聲也越大，故綜合的流場耦合噪聲也越大。

圖7 最大流速隨入口壓力的變化趨勢

圖8 最大氣相體積分數隨入口壓力的變化趨勢

圖9 最大噪聲隨入口壓力的變化趨勢

該平衡閥的最大閥口開度約為1.67 mm，為研究不同閥口開度下的流場噪聲，在15 MPa入口壓力的工況下，分別取閥芯開口為0.8 mm、1 mm、1.2 mm、1.4 mm和1.67 mm進行數值計算，流場對稱面各參數結果如圖10～圖12所示。根據圖10～圖12可知，在入口壓力一定的前提下，流場最大流速、最大氣相體積分數和最大噪聲隨著閥口開度增大先減小后增大，然后再減小。在閥口開度為1 mm處，出現所有流場參數下降的原因，可能是流體黏性的影響，因為流場參數受到結構和黏性等多因素影響，平衡閥小開口時，壁面邊界層的影響較大。

圖10 最大流速隨閥口開度的變化趨勢

圖11 最大氣相體積分數隨閥口開度的變化趨勢

圖12 最大噪聲隨閥口開度的變化趨勢

4 實驗研究

為了進一步研究平衡閥流場噪聲，獲取噪聲的特性，需要進行實驗研究。由于噪聲經常出現在閥口開度較小的工況，因此選取控制壓力較小，即閥口開度較小的工況進行實驗。如圖13所示，在圖示位置設立測試點。由于吊臂落幅過程中，負載壓力是隨變幅角度改變的，不能測試某一固定負載壓力下的噪聲信號，以下均以某一段壓力范圍進行表示，測試不同負載壓力工況下的噪聲信號。采樣頻率為48 kHz，采樣時間2～3 s左右。

圖13 平衡閥流場噪聲實驗

圖14～圖16為平衡閥小開口時，負載壓力分別為8 MPa左右、10 MPa左右和12 MPa左右的噪聲信號和傅里葉變換（FFT）后的頻譜圖。在分析FFT頻譜時，選擇采樣頻率的一半即0～24 kHz進行分析。根據噪聲頻譜可以看出，不同負載壓力下，頻譜分布基本一致，最大幅值主要分布在低頻部分，高頻分量相對較小，中頻部分最小。經過分析可知，低頻主要是液壓油泵和發動機的背景噪聲，流場噪聲主要分布在中頻和高頻部分，故流場噪聲比較尖銳。

圖14 負載壓力為8 MPa時噪聲信號和頻譜

圖15 負載壓力為10 MPa時噪聲信號和頻譜

圖16 負載壓力為12 MPa時噪聲信號和頻譜

為了消除油泵和發動機的背景噪聲，提取所需的流場噪聲，利用高通濾波器對噪聲信號進行濾波，提取的流場噪聲信號的時域和頻域曲線如圖17～圖19所示。根據實驗結果可知，不同負載壓力下，流場噪聲頻率分布基本一致，且幅值相對液壓泵和發動機而言很小，但流場噪聲的頻域很寬，呈現頻率越高幅值越大的特點。

圖17 負載壓力為8 MPa時提取的流場噪聲信號

圖18 負載壓力為10 MPa時提取的流場噪聲信號

圖19 負載壓力為12 MPa時提取的流場噪聲信號

5 結論

1）通過對平衡閥流場的數值仿真分析可知，流場氣化發生在閥口處。在某一固定閥口開度，隨著入口壓力的增大，閥口處液相與氣相相互轉化的程度越高，但會在某一壓力后保持穩定，流場噪聲與入口壓力正相關。

2）在入口壓力保持不變時，隨著閥口開度的增大，流場最大流速、最大氣相體積分數和最大噪聲先減小后增大，然后再減小。

3）實驗研究表明，流場噪聲主要分布在中頻和高頻部分，故流場噪聲比較尖銳。不同負載壓力下，流場噪聲頻譜分布基本一致。流場噪聲幅值相對很小，但流場噪聲的頻域很寬，呈現頻率越高幅值越大的特點。