減壓閥球形節流孔板降噪效果的數值研究

陳珉芮，金志江，錢錦遠

(浙江大學 能源工程學院化工機械研究所，浙江 杭州 310027)

引言

蒸汽作為一種重要的介質，廣泛應用于多種領域。在工業生產中，減壓閥常用作調節蒸汽壓力。由于減壓閥的節流作用，蒸汽流經減壓閥時壓力降低，湍動程度增加，易引發劇烈的氣動噪聲。根據人耳的特點，當噪聲高于100 dB時，人體會感到不適[1]，長期處于巨大的噪聲中，操作人員身心都將受到損害[2]，不但影響工作效率還會增加工作的安全風險。

對于閥門氣動噪聲及降噪方法，許多研究人員進行了大量研究，其中數值模擬是一種成本低、效率高的研究方法，運用較多的有雷諾時均算法、大渦模擬和聲類比方法等，為研究噪聲誘因，分析噪聲分布規律以及提出有效降噪措施提供了參考[3-7]。研究表明，改進減壓閥的結構，可使減壓閥噪聲得到明顯降低[8-10]。此外，針對減壓閥所處的管路，對管路內氣動噪聲進行研究，從不同的原理出發，也可得到降低閥門與管路整體氣動噪聲的有效方法[11-15]。

在前人的研究中，將具有節流功能的孔板設置于減壓閥后，可有效降低蒸汽在減壓閥中的氣動噪聲。本研究將對設置于直角形多級套筒式減壓閥后的球形孔板進行研究，分析球形孔板的設置方向與錐角對降噪效果的影響。

1 幾何模型

在減壓閥后設置降噪孔板是一種有效的降噪方式，多孔平板具有經濟簡便，降噪效果優良的特點。為優化孔板的降噪效果，本研究對球形孔板進行數值模擬，分析其對蒸汽流動及噪聲的影響。此外，將多孔平板對蒸汽流動及噪聲的影響作為對比，以多孔平板為例，幾何參數如圖1所示，小孔沿環狀分布，孔徑為10 mm，相鄰的小孔中心圓間距為17.5 mm，厚度為30 mm。

圖1 孔板幾何參數

如圖2a所示，球形孔板的小孔直徑與多孔平板一致，小孔呈環狀分布，且相鄰兩層小孔軸線夾角相等。當球形降噪孔板的錐角不同時，流體流動情況不同，因此對錐角范圍為30°～180°的球形孔板進行了數值模擬，如圖2所示。小孔軸線的夾角隨錐角發生變化，如表1所示。

表1 球形孔板小孔軸線夾角 (°)

圖2 球形孔板

將不同的降噪孔板設置于開度為50%的直角形多級套筒式減壓閥的下游，分別建立流道的幾何模型。由于流道為對稱結構，只需建立流道幾何模型的一半。由于流道結構復雜，采用混合網格對流道模型進行離散，即在閥芯套筒和降噪孔板處運用四面體網格，其余運用六面體網格，在流道的壁面處合理設置邊界層，如圖3所示。為保證數值模擬的準確性，通過多次驗證得出，當網格數量大于2.4×106時，數值模擬的結果不再發生明顯變化。

圖3 流道模型的網格劃分

2 邊界條件與數值方法

溫度為450 ℃，壓力為10 MPa(絕壓)的過熱蒸汽作為流動介質，依次通過減壓閥和降噪孔板，在出口處壓力降至1 MPa(絕壓)。因此，流道的入口設置為壓力入口，壓力為10 MPa(絕壓)，同時，溫度設為450 ℃；出口設置為壓力出口，壓力為1 MPa(絕壓)；對稱面采用對稱邊界條件；其余邊界均設置為壁面。

在上述壓力條件下，過熱蒸汽流速較高，可壓縮性不能忽視。根據經過驗證的數值方法[3]，數值模擬采用基于密度的穩態求解器，過熱蒸汽的密度采用理想氣體模型。控制方程采用標準k-ε模型求解。此外，采用寬頻噪聲模型模擬流道中流體氣動噪聲的聲源情況。

3 結果與討論

3.1 球形孔板設置方向的影響

如圖4所示，將球形孔板設置于流道中時，分為球冠頂部向上和球冠頂部向下兩種方向。以錐角為180°的球形孔板為例，研究球形孔板的設置方向對降噪效果的影響，同時將多孔平板作為對照。

圖4 不同方向的孔板

當球形孔板的設置方向不同時，過熱蒸汽的流動會受到影響。

如圖5所示，由于減壓閥中套筒小孔的節流作用，過熱蒸汽的最大流速出現在閥芯套筒的小孔處，最大速度大于850 m/s。過熱蒸汽流過減壓閥后，在閥體后腔匯聚并形成速度較高的流動。

圖5 孔板設置方向不同時流體的流動情況

作為對照，首先分析降噪孔板為多孔平板時，過熱蒸汽的流動情況。如圖5a所示，當降噪孔板為多孔平板時，孔板下方的最大流速大于850 m/s。過熱蒸汽在孔板處受到節流，因此在孔板上方的閥體后腔中，介于高速流邊界與流道壁面的空間內，形成了漩渦。流經降噪孔板后，位于流道中心的過熱蒸汽垂直于孔板流向出口，而位于流道邊緣的過熱蒸汽則先向流道中心輕微收縮，然后向流道壁面擴散。因此，降噪孔板下方靠近流道壁面處，過熱蒸汽形成了較小的漩渦。

如圖5b所示，當球形孔板向上設置時，最大流速出現在小孔的內部，最大流速大于850 m/s。同樣地，過熱蒸汽在閥體后腔中，介于高速流邊界與流道壁面的空間內形成漩渦。向上設置的球形孔板減小了閥體后腔的空間，漩渦的旋流程度比多孔平板更高。球形孔板向上設置時，小孔的軸線向下游流道中心匯聚，因此在孔板下方，過熱蒸汽以較高的流速向流道中心匯聚，形成高速射流。在高速射流邊界與流道壁面的空間內，過熱蒸汽形成了尺寸較大的漩渦。

如圖5c所示，當球形孔板向下設置時，孔板處的最大流速出現在小孔的下方，最大流速小于700 m/s，說明向下設置的球形孔板能減小最大流速。在閥體后腔中，過熱蒸汽在介于高速流邊界與流道壁面的空間內也會形成漩渦，向下設置的球形孔板增大了閥體后腔的空間，使得漩渦的旋流程度比多孔平板更低。球形孔板向下設置時，小孔的軸線向上游流道中心匯聚，因此在孔板下方，過熱蒸汽呈發散狀向下游流動，此時流動更均勻，不形成漩渦。

當球形孔板的設置方向不同時，降噪孔板對流道內的聲功率級分布有明顯影響。

如圖6所示，與多孔平板相比，球形孔板的設置方向對閥體后腔及降噪孔板下游聲功率級的分布有顯著影響。如圖6b所示，當球形孔板向上設置時，閥體后腔最大聲功率級位于球形孔板上表面靠近流道壁面處，且最大值大于160 dB，高于多孔平板。孔板出口處聲功率級的最大值高于180 dB，與多孔平板相近，但最大聲功率級的分布范圍較小。在孔板的下游，聲功率級明顯高于多孔平板的下游，對比圖5b可以發現，孔板下游聲功率級較高的區域與下游過熱蒸汽形成大尺寸漩渦的區域一致。如圖6c所示，當球形孔板向下設置時，閥體后腔最大聲功率級分布于閥體后腔的中心部位，且最大值大于160 dB，高于多孔平板。孔板出口處聲功率級的最大值略小于多孔平板。在孔板的下游，聲功率級的分布呈向下的弧形，聲功率級較高的區域沿流道延續的距離較短。

圖6 孔板設置方向不同時流道對稱面聲功率級分布

為進一步分析當球形孔板的設置方向不同時流道內的氣動噪聲，將閥體后腔、孔板區域及孔板下游區域流道截面上的聲功率級平均值L(ω)繪制成曲線圖，如圖7所示。在圖7中，兩條虛線之間為孔板區域，左側為閥體后腔，右側為孔板下游區域。從圖7可看出，在閥體后腔，流道截面的聲功率級在球形孔板向上設置時最低，在球形孔板向下設置時最高。在孔板區域，當降噪孔板為多孔平板時，流道截面聲功率級的最大值遠高于球形孔板；同樣是球形孔板，當其向上設置時的聲功率級最大值略低于向下設置。在孔板下游區域，多孔平板和向下設置的球形孔板的流道內截面聲功率級的變化較一致，均為先迅速降低，后降低的趨勢較為平緩。當二者的下降趨勢較劇烈時，兩條曲線基本平行，且多孔平板的聲功率級低于向下設置的球形孔板。在聲功率級的降低趨勢較為平緩的區域，向下設置的球形孔板的聲功率級比多孔平板下降得更快，因此，在坐標1690 mm后，向下設置的球形孔板的截面聲功率級平均值小于圓形開孔平板。當球形孔板向上設置時，孔板下游區域的截面聲功率級平均值沿流道逐漸降低，降低趨勢無明顯變化，且聲功率級始終大于圓形開孔平板和向下設置的球形孔板。根據魏琳[3]的研究，角式減壓閥下游的噪聲高于其他方向，向下設置的球形孔板有利于降低下游的噪聲，同時結合其最大聲功率級小于多孔平板，說明向下設置的球形孔板具有較好的降噪效果。

圖7 孔板設置方向不同時流道截面聲功率級平均值

3.2 球形孔板錐角的影響

從3.1節中可以看出，向下設置的球形孔板更有利于減壓閥的降噪，因此，將進一步對向下設置的不同錐角的球形孔板進行研究，分析球形孔板的錐角對降噪效果的影響。

如圖8所示，分析過熱蒸汽在不同錐角的球形孔板流道中的流動情況。可以看出，不同錐角的球形孔板對過熱蒸汽在閥體后腔內的流動情況影響較小，對過熱蒸汽在孔板區域和孔板下游區域的流動的影響較為明顯。在孔板區域，過熱蒸汽的最大流速出現在中心部分的小孔后方，隨著球形孔板錐角的增大，孔板區域的最大流速逐漸減小。在孔板的下游區域，當球形孔板的錐角為30°時，過熱蒸汽在流道中心的流速較大，周圍的流速較小，隨著錐角的增大，流道中心高速流的范圍逐漸減小。當錐角大于120°時，孔板下游內過熱蒸汽流速較高的區域為流道壁面處，隨著錐角的增大，流道壁面處的高速流范圍逐漸增大。當球形孔板錐角為30°時，過熱蒸汽在孔板后方靠近流道邊界處形成漩渦，隨著錐角的增大，漩渦逐漸減小；當錐角大于90°時，過熱蒸汽在孔板后方不再形成漩渦。從以上分析可以看出，球形孔板的錐角較大時，有利于減小過熱蒸汽在降噪孔板處的最大流速。此外，當錐角為90°時，孔板下游區域既沒有中心的高速流動區域，也沒有流道壁面的高速流動區域，此時流動是最均勻的。

為進一步分析球形孔板的錐角對過熱蒸汽在流道中氣動噪聲的影響，將閥體后腔、孔板區域及孔板下游區域流道截面上的聲功率級平均值繪制成曲線圖，如圖9所示。從圖9可看出，在閥體后腔內，聲功率級的各曲線基本重合；而在孔板區域內，聲功率級曲線開始出現差別，不同錐角的球形孔板的聲功率級最大值均小于多孔平板，且最大值隨著錐角的增大而減小。

在孔板的下游區域，不同的錐角條件下，流道截面的聲功率級均逐漸下降，隨著流道遠離孔板區域，平均聲功率級的下降趨勢逐漸平緩。從圖9中還可以看出，當流道截面距離孔板區域足夠遠時(坐標大于1700 mm)，球形孔板的平均聲功率級均小于多孔平板，值得注意的是，在此區域內同一坐標上的平均聲功率級隨著球形孔板錐角的增大先減小后增大，當錐角為90°時，孔板下游區域的聲功率級平均值最小，由于角式減壓閥下游方向的噪聲比其他方向更大，因此，錐角為90°的球形孔板的降噪效果較優。

4 結論

本研究采用數值模擬方法，對設置于開度為50%的直角形多級套筒式減壓閥后的球形孔板進行研究，分析了球形孔板的設置方向及錐角對降噪效果的影響。在研究過程中，球形孔板有向上和向下兩種設置方向，其錐角的范圍為30°～180°。通過對過熱蒸汽在流道中的流動情況及聲功率級的分析，可得到以下結論：

(1) 過熱蒸汽的最大聲功率級發生在孔板區域，與多孔平板相比，球形孔板可降低聲功率級的最大值，但當球形孔板向上設置時，孔板后方的聲功率級較高，且較高的聲功率級能延續到下游，不利于降低噪聲，而球形孔板向下設置時，可有效提高孔板的降噪效果；

(2) 對于向下設置的球形孔板，不同的錐角對過熱蒸汽的流動和氣動噪聲情況也有影響，在孔板區域，過熱蒸汽的最大流速發生在孔板后方的流道中心處，隨著錐角的增大，過熱蒸汽的最大流速逐漸減小，孔板下游區域內，過熱蒸汽在流道壁面處的流動速度隨錐角的增大而增大，當球形孔板的錐角為90°時，孔板下游區域沒有高速流區域，此時的流動最均勻，孔板區域平均聲功率級的最大值隨球形孔板錐角的增大而降低，而在距孔板較遠的下游流道中，平均聲功率級隨著錐角先減小后增大，當錐角為90°時，平均聲功率級最小。

綜合以上分析可以看出，將錐角為90°的球形孔板向下設置于減壓閥后，降噪效果最好。本研究的工作可為降低減壓閥的氣動噪聲和相關形式的孔板設計等提供一定的參考借鑒。