閘閥氣體內漏噴流聲場的數值模擬的探討

楊連成 謝建國 楊杰

摘要：氣體閥門對于整體系統運行穩定性與安全性都有直接的影響，閘閥氣體內漏對于系統運行有著極為不良的影響，會提高設備故障和安全事故發生的概率，通過對閘閥氣體內漏噴流聲場進行數值模擬，能夠對聲場的特征以及運行具體情況進行掌握，為聲學檢測提供有價值的參考數據。因而本文就基于氣動聲學方程對多種開度情況下的閘閥氣體內漏噴流聲場進行數值模擬研究。

關鍵詞：閘閥氣體內漏;噴流聲場;數值模擬

引言：當閘閥氣體內漏問題形成之后，內漏期間氣體噴流的過程具備明顯的復雜性，氣動噪聲也會同步形成，通過對聲場的數值模擬分析，來對噪聲情況進行檢測和分析，從而對閥門內漏情況加以判斷、預估。閥門截流區域處于持續動態流動變化的狀態，對于氣體噴流聲場各項特征的分析，需要利用數值模擬才能保證特征分析的準確性與可靠性，因此對其進行研究具有現實意義。

一、閘閥氣體內漏噴流聲場計算方程參數分析

閥門氣體在產生內漏之后，噪聲的形成是由于閥門水流以比較快的速度流動，形成湍流，在持續流動的過程中就會形成波動壓力，噪聲的形成來源比較多，其機理具有明顯的復雜特性。當閘閥氣體產生泄漏的過程中，流體的質量守恒與動量守恒依然保持的規律狀態，如此對應描述流場噪音形成的氣動力聲方程就能夠應用于閘閥氣體內漏噴流聲場的計算當中，需要獲取的方程參數就有聲壓（p），以Pa為單位;還有均勻介質中的聲速（c0），以m/s 為單位;外加生源處理時的應力源（f）。在氣體內漏產生之后，噴流是以噴射的方式形成柱體水流，流動的過程中會因輻射而產生噪音，氣流的分布狀態也處于不均勻的狀態，就導致氣流對聲音傳播與輻射產生相應的干擾影響，在進行計算時，還需要對噴流的速度參數對于噴流噪音的干擾作用進行同步考量。噴柱不同方位的擾動速度都需要進行考量，以ux、uy表示，單位為m/s。

二、閘閥氣體內漏噴流聲場的數值模擬研究

通過對閘閥氣體內漏噴流聲場進行數值模擬，能夠對泄漏期間聲場的運行狀態進行模擬，從而對聲場的一些代表性特征進行明確，由于閥門泄漏時，閥門在截流時，流質的流動狀態具有較強的不確定性，比較復雜，若是應用正常的理論方法對氣體噴流聲場特點進行分析具有較大的難度，應用數值模擬進行分析具備可靠性，下面就對其數值模擬進行展開研究。

（一）計算方程精度強化處理

在進行方程計算時，在Lighthill 氣動聲學方程的基礎上，需要在此進行離散處理，應用變系數離散方程，以此提高二階計算的精準度，以此就要對時間步長與空間步長進行明確和應用。

（二）數值模擬計算區域與邊界條件

在進行數值模擬時，要對計算區域和邊界條件進行清晰確定，本次數值模擬將計算區域設置為60 乘40 的矩形范圍，時間步長取值為0.004，空間步長取值為0.01，將聲速參數設置為1。關于邊界條件，將閘閥的壁面設置為全反射邊界，遠離截流口位置有吸收邊界，要將氣體內漏噴流擾動速度，以速度函數的形式轉換成離散方程變系數矩陣。

（三）聲場當中聲源與聲壓分析

當閘閥氣體內漏時，聲場內部的聲源具備多樣化與紛雜的特性，因此就可以認為聲場當中的聲源是由單極子、偶極子以及四極子聲源來共同組合形成聲場內的聲源結構，其中四極子聲源在內漏噴流噪聲結構當中占據主體位置，因而就選擇四極子聲作為噪音的聲源結構。對于聲壓（單位Pa）的分析，需要對噴口當量直徑（D，單位米）、氣體密度（ρ0，單位kg/m3）、噴柱速度（U，單位m/s）以及馬赫數（M）這幾個參數進行明確，還要應用對比例常熟Ks（0.0825）來與各項參數進行相乘，獲得聲源表面的聲壓數值[1]。

（四）聲場初始狀態的明確

在閘閥截流的位置，流質通道比較復雜，可以應用相應軟件，來將工況設置成相同的狀態，只將閥門的開度作為變量，對不同開度情況下的閘閥流場運行進行數值模擬，模擬之下，在一次截流的位置，需要獲取噴柱速度、聲源聲壓、噴柱速度和馬赫數等參數。在第二次截流位置，需要獲取馬赫數、聲源聲壓等參數

（五）聲場模擬與結果

1.聲場的影響因素

在閘閥氣體內漏期間，氣體的湍流流動和閥體壁面的影響作用下，內漏的噪聲分布會呈現不同的狀態，具備明顯的復雜特性。內漏時，閘板與閥體的底面之間會構建擴壓空間，第一次截流產生的噪聲和第二次截流產生的噪聲會在擴壓空間的位置，產生相互作用的狀態，最終會導致大量的聲渦出現，在擴壓空間當中形成的聲場力度最強。在不同閥門開度狀態下，閥門開度越小時，擴壓空間也會比較小，空腔內部的聲壓也會隨之變小，因而閥門開度與擴壓空間大小、空腔內部聲壓之間是成正比例變化關系。而下游的聲場強度在不同的開度狀態下，變化不是非常明顯，但是聲場指向性受開度變化的影響比較明顯。

2.下游聲場的指向性

在開度不同的狀態下，最大聲壓的方位角具備差異性，在二次截流口兩側閥體壁面和噴柱的共同作用下，內漏噴流噪聲的傳播具有方向性。開度不同會直接導致噴射的角度與形成的噴柱形狀會產生差異，就會對下游聲場的指向性產生影響作用，聲場分布也均不相同。當開度變小的情況下，下游聲場的總強度值會隨之變小，聲壓方位角會變得劇烈，局部聲壓比較高，指向性顯著。當閥門的開度在0 以下或者為0 時，下游聲場的分布沒有明顯的差異。

3.上下游聲場強度的對比分析

上游與下游的在聲場傳播期間，聲場強度會受到截流口處距離的影響，而產生衰減，上游與下游對比來分析，衰減的速度比較大的是上游聲壓。當截流口處距離參數保持一致的狀態下，下游與上游的聲壓最大值會存在比較明顯的差異，一般下游聲壓數值最少會高出15dB，最大情況會高出30dB[2]。而當閥門開度變化時，開度值越小的情況下，上游與下游的聲壓差值會隨之變大。究其原因是上游的聲場擴散性能比較強，傳播的縫隙會隨著開度變小而收縮，下游的噪聲是通過輻射而直接傳播，聲場的強度就因此出現較大的差異。

結束語：通過數值模擬分析，內漏噴流噪聲傳播影響因素包括內漏氣流噴柱擾動、閘閥內壁反射等，具備明顯方向性，在閥門開度變化的情況下，噴柱形狀與噴射角度的不同會使下游聲場指向與聲壓分布同步產生變化，聲壓最強的位置是在閘板與閥體內壁面構建的擴壓空間區域。

參考文獻：

[1]王川洪，劉輝，姜婷婷，等.采氣井口裝置法蘭式平板閘閥泄漏原因分析[J].化工管理，2019（14）：83-84.

[2]袁淋，梁中紅，肖仁杰，等.元壩氣田井口裝置平板閘閥故障分析及對策研究[J].中外能源，2018，23（08）：60-64.