基于CFD的船用核動力裝置邊界電磁閥泄漏流噪聲場仿真研究

吳猛猛，張 鑫，楊家軒

（1. 海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266199；2. 中國科學(xué)院聲學(xué)所，北京 100190）

0 引 言

電磁閥在管路系統(tǒng)中起到接通和阻斷管路中工作介質(zhì)的作用，適用于高溫、高壓、介質(zhì)為飽和熱水或蒸汽的自動控制系統(tǒng)中[1]。電磁閥作為船用核潛艇核動力裝置邊界閥門，是穩(wěn)壓器壓力水位控制的重要設(shè)備。一旦該閥發(fā)生內(nèi)漏，將會對核動力裝置運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響[2]。例如美國三里島核事故的發(fā)生，其中一個很重要的原因就是穩(wěn)壓器的釋放閥內(nèi)漏造成的；再如2015年10月美國康涅狄格州一座核電站發(fā)生一起低級別的緊急事件，也是由關(guān)閉冷卻系統(tǒng)上的安全閥泄漏引起的。

本文在分析閥門泄漏流噪聲機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了船用核動力裝置邊界電磁閥的模型，利用Flucnt流體分析軟件對電磁閥內(nèi)漏的流場和聲場進(jìn)行仿真，并對影響流場和聲場的各種因素進(jìn)行研究。

1 理論基礎(chǔ)

壓力管路閥門泄漏時，流體在壓差作用下經(jīng)閥門不密封處（縫隙）流出，并呈束狀噴射，即形成噴射射流。圖1給出了泄漏孔處的射流速度變化。泄漏孔處的射流初始速度為u0，泄漏孔直徑為D。從泄漏孔快速流出后與周圍靜止流體相互作用形成不同速度分區(qū)：混合區(qū)、過渡區(qū)和充分發(fā)展區(qū)[3-4]。在混合區(qū)，射流中充滿渦旋，對周圍流體產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，被卷吸的流體與射流一起運(yùn)動；在過渡區(qū)，由于射流與周圍靜止的黏性流體發(fā)生摻混，阻力增大，邊緣流速降低；在充分發(fā)展區(qū)，射流發(fā)展到射流邊界層和射流中心，并全面發(fā)展成紊流[5]。

圖1 射流速度示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet velocity

閥門內(nèi)漏產(chǎn)生噪聲與湍流射流中的旋渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與發(fā)展有直接關(guān)系[6-7]。流體流動的本質(zhì)是渦運(yùn)動，當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時，流動狀態(tài)為層流，并呈穩(wěn)定渦或?qū)恿鳒u街的狀態(tài)；隨著雷諾數(shù)Re的增大，層流向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并由線性渦街向湍流渦街發(fā)展。當(dāng)閥門內(nèi)漏時，閥門附近開始產(chǎn)生渦，且尺度逐漸增大，渦量增強(qiáng)，引起流噪聲的急劇增大，因此閥門內(nèi)漏流場旋渦是閥門內(nèi)漏噪聲產(chǎn)生的主要原因。同時閥門內(nèi)漏的孔徑大小、管內(nèi)介質(zhì)流速等是影響閥門渦量的主要因素[8]。

根據(jù)式（1）可知，閥門的內(nèi)漏噪聲主要與閥門結(jié)構(gòu)形式、閥門前后壓差、流體種類以及閥門是否空化等因素相關(guān)[9-10]。本文主要通過數(shù)值模擬研究閥門的工作壓力、閥門流體種類以及閥門空化等因素對閥門內(nèi)漏的流場和聲場的影響。

2 數(shù)值模擬

利用ANSYS Flucnt流體分析軟件對電磁閥內(nèi)漏流場和聲場進(jìn)行仿真計算，具體方法如下：首先利用CAD軟件構(gòu)建電磁閥模型，然后利用ANSYS軟件包 mcsh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后再進(jìn)行流場仿真計算，同時基于 Ligthill的聲比擬方法進(jìn)行聲場計算，最后得到閥門內(nèi)漏的流場和聲場分布[11-13]。

2.1 模型描述

2.1.1 模型構(gòu)建

首先以電磁閥中剖面為研究對象。選取的邊界電磁閥的類型為套筒式高溫高壓電磁閥，主要由閥體、活塞組件、套筒、中法蘭、導(dǎo)向體、閥套組件等零部件組成。該電磁閥具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、操作簡單、動作迅速可靠、高防護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)[14]。

利用CAD創(chuàng)建了電磁閥模型，取計算區(qū)域（x，y方向的尺寸）為 825、62 mm。為保證流道截面模型與真實流體截面吻合，閥體邊界和閥芯外形處均保持與閥門設(shè)計圖紙形狀尺寸一致，圖中標(biāo)出的為電磁閥泄漏通道，如圖2所示。

圖2 電磁閥模型及其網(wǎng)格劃分效果Fig.2 Model of solenoid valve and meshing dividing result

2.1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS軟件包mcsh軟件對閥門流道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取四邊形和三角形混合網(wǎng)格（Uniform Quad/Tri）的劃分方法，同時在尺寸變化很大的局部區(qū)域采取由邊到面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過控制線網(wǎng)格的數(shù)量及疏密程度，實現(xiàn)對面網(wǎng)格質(zhì)量控制的目的。電磁閥模型在 1%開度時網(wǎng)格數(shù)量為335 179，Elcmcnt Quality大于 0.5的網(wǎng)格占比為82.1%，Aspcct Ratio小于5的網(wǎng)格占比為83.0%，網(wǎng)格質(zhì)量較好，能夠滿足電磁閥內(nèi)漏流場和聲場仿真的要求。

2.1.3 邊界條件設(shè)定

閥門模進(jìn)出口邊界為壓力邊界，進(jìn)口壓力根據(jù)需要設(shè)置，出口表壓力為0 MPa，流場為水、空氣或混合相，其他面為壁面。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)模擬

穩(wěn)態(tài)模擬方面，湍流模型采用Rcalizablc k-?模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，得到電磁閥內(nèi)漏的穩(wěn)態(tài)流場分布，之后激活 ANSYS Flucnt的寬頻（Broadband）噪聲模型，可以得到電磁閥內(nèi)漏的穩(wěn)態(tài)聲場。

（1） 流場分析

圖3中給出了壓力水管路和壓縮空氣管路電磁閥的速度云圖。由圖3可以看出，電磁閥內(nèi)漏時會在泄漏孔處及下游引起速度場和湍流強(qiáng)度場的擾動，形成內(nèi)漏射流場。同時壓力水管路電磁閥的流場速度明顯小于壓縮空氣管路電磁閥。

圖3 電磁閥模型內(nèi)漏流場速度分布云圖Fig.3 Nephogram of flow velocity distribution in solenoid valve model

（2） 聲場分析

圖4中給出了壓力水管路和壓縮空氣管路電磁閥內(nèi)漏聲場的聲功率級云圖，圖5給出了聲功率級隨壓力變化的曲線。

圖4 電磁閥模型聲功率級云圖Fig.4 Nephogram of sound power level of solenoid valve model

圖5 最大聲功率級隨壓力變化曲線Fig.5 Maximum power level versus pressure curve

由圖4、圖5可以看出：（1） 電磁閥內(nèi)漏流場擾動時會激發(fā)聲場變化，聲功率級云圖與流場分布有一定的近似性；（2） 壓力水管路閥門內(nèi)漏聲場的聲功率級值小于氣閥；（3） 壓力管路電磁閥內(nèi)漏聲場的聲功率級值隨著壓力的增大而增大，并且在壓力較小時（0～5 MPa）增幅最大。

（3） 空化影響

圖6給出了壓力水管路電磁閥內(nèi)漏流場氣化容積比云圖分布。圖7給出了不同壓力下電磁閥內(nèi)漏空化對聲功率級影響的曲線，此處電磁閥的泄漏度（泄漏孔徑與閥門通徑之比，下同）為5%。由圖6和圖7可以看出：（1） 壓力水管路電磁閥內(nèi)漏時會在泄漏孔處發(fā)生空化，并且空化容積比隨壓力的增大而升高，當(dāng)壓力為0.5 MPa時，電磁閥泄漏孔處幾乎無氣化，壓力達(dá)到3 MPa時，電磁閥下游有明顯空化；（2） 空化效應(yīng)對閥門內(nèi)漏的流場分布和聲場分布產(chǎn)生影響，區(qū)別于不考慮空化的情況；（3） 壓力水管路電磁閥內(nèi)漏聲場的聲功率級值隨著壓力的增大而增大。但是考慮空化比不考慮空化的情況最大聲功率級平均高出20.32 dB。

圖6 電磁閥模型內(nèi)漏流場氣相容積比分布云圖Fig.6 Nephogram of gas volume ratio distribution in leakage flow field of solenoid valve model

圖7 電磁閥空化對聲場的影響曲線Fig.7 Influence curve of electromagnetic valve cavitation on sound field

2.2.2 非穩(wěn)態(tài)模擬

本文采用尺度自適應(yīng)模型（Scalc Adaptivc Simulation， SAS）和福克斯·威廉姆斯-霍金斯方程（Ffows Williams-Hawking， FW-H），進(jìn)行閥門內(nèi)漏流場和聲場的非穩(wěn)態(tài)計算，得到閥門內(nèi)漏的瞬態(tài)流場和聲場。

（1） 流場分布

圖8為相同條件下不同時刻電磁閥模型內(nèi)漏速度場分布，此時管內(nèi)介質(zhì)為3 MPa壓力水，閥門泄漏度為5%。由圖8可以看出，電磁閥的內(nèi)漏流場以射流的方式展開，開始階段在泄漏孔處生成射流，隨后沿著壁面向下游運(yùn)動；運(yùn)動過程中，射流中心逐漸明顯，并形成卷吸效應(yīng)，卷吸周圍流體一起向下游運(yùn)動；當(dāng)時間t=10 ms時，電磁閥泄漏孔后流場擾動劇烈，由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖8 電磁閥流場速度云圖隨時間變化Fig.8 Nephogram of flow field velocity variation of solenoid valve with time

（2） 聲場分布

圖9為工作壓力為0.5 MPa時，電磁閥內(nèi)漏聲場總聲壓級隨橫向距離的變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為閥后橫向距離X與電磁閥直徑D的比值X/D，縱坐標(biāo)為聲場的總聲壓級值（dB）。由圖9可以看出，在閥體處（X/D=0），湍流射流聲場聲壓級值最大；之后在閥后（X/D=4）處出現(xiàn)第二個峰值，說明湍流射流在此處與管路壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，之后沿管壁不斷擴(kuò)展，由于壁面摩擦等因素的影響，射流聲場的聲壓級值隨橫向距離的增加不斷衰減。

圖9 電磁閥聲場總聲壓級隨橫向距離的變化Fig.9 Variation of overall sound pressure level of solenoid valve with transverse distance

圖10為同一監(jiān)視點(diǎn)X/D=2時，電磁閥內(nèi)漏聲場總聲壓級值隨工作壓力的變化曲線。由圖10可以看出，隨著壓力的增加，電磁閥內(nèi)漏產(chǎn)生的湍流射流聲場聲壓級值的增大，并且在壓力較小時（0～5 MPa）變化最大。

圖10 同一監(jiān)視點(diǎn)總聲壓級隨工作壓力的變化Fig.10 Variation of overall sound pressure level with working pressure at the same monitoring point

圖11為同一監(jiān)視點(diǎn)X/D=2時，電磁閥內(nèi)漏聲場總聲壓級值隨閥門開度的變化曲線。由圖11可以看出，在閥門開度為1%～10%時，隨著閥門開度的增大，電磁閥內(nèi)漏聲場聲壓級增大，并且在閥門開度較小時（1%～5%）變化最大；當(dāng)閥門開度大于10%時，由于射流的湍流度減小，流場趨于穩(wěn)定，電磁閥內(nèi)漏聲場的總聲壓級趨于穩(wěn)定。

圖11 同一監(jiān)視點(diǎn)總聲壓級隨泄漏度的變化Fig.11 Variation of overall sound pressure level with leakage at the same monitoring point

（3） 空化分布

圖12給出了工作壓力為3 MPa，閥門泄漏度為 5%的條件下、不同時刻電磁閥模型空化的氣相容積比云圖。此處管內(nèi)介質(zhì)為多相流，主相為水，第二相為水蒸氣，采用的多相流模型為混合模型（Mixturc Modcl）。由圖12可以看出，此條件下電磁閥的空化隨著時間的推移，空化范圍逐漸增大，初始階段空化現(xiàn)象僅發(fā)生在電磁閥的泄漏孔處，之后隨著電磁閥泄漏孔處射流沿壁面的擴(kuò)展，空化范圍隨之發(fā)展，逐漸在管路下游大范圍產(chǎn)生空化。

圖12 不同時刻電磁閥模型氣相容積比云圖Fig.12 Nephogram of gas volume ratio of solenoid valve model at different times

3 結(jié) 論

本文主要利用 CFD軟件對電磁閥內(nèi)漏流場和聲場進(jìn)行仿真計算，研究結(jié)果表明：

（1） 寬頻噪聲模型得到的聲功率級云圖可用于閥門內(nèi)漏聲場的總體評價，快速確定閥門內(nèi)漏聲場分布情況；FW-H聲學(xué)模型各監(jiān)視點(diǎn)的聲場信號經(jīng)FFT處理后可得到閥門內(nèi)漏聲壓級等細(xì)節(jié)信息。

（2） 閥門內(nèi)漏的聲場信號為寬頻隨機(jī)信號，隨工作壓力的增大而增強(qiáng)，并且在 0～5 MPa范圍內(nèi)增幅最大；相同條件下壓力水管路閥門內(nèi)漏聲場強(qiáng)度小于壓力氣體管路閥門，因此可以采用動態(tài)增加壓力的方式增強(qiáng)閥門內(nèi)漏聲場信號。

（3） 壓力水管路閥門內(nèi)漏時會發(fā)生空化現(xiàn)象，空化效應(yīng)與工作壓力、閥門泄漏度、閥門內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)，開度較小時更容易產(chǎn)生空化，流道截面變化處更易產(chǎn)生空化，并且空化隨著工作壓力的增大而增強(qiáng)；同時空化效應(yīng)對閥門內(nèi)漏的流場分布和聲場分布產(chǎn)生影響，空化狀態(tài)下閥門內(nèi)漏聲場的強(qiáng)度增大，因此在壓力水管路閥門內(nèi)漏聲場計算時必須考慮空化效應(yīng)。

（4） 閥門內(nèi)漏流場和聲場仿真計算為閥門內(nèi)漏檢測實驗和實地測試提供了理論指導(dǎo)：（1） 測點(diǎn)選擇上，閥體及附近位置的聲場強(qiáng)度較大，因此可在閥體及其附近管路布置聲信號監(jiān)測點(diǎn)；（2） 測量條件上，聲場信號隨工作壓力的增大而增強(qiáng)，壓力過小時聲場信號弱，因此可采用動態(tài)增加工作壓力的方式檢測閥門內(nèi)漏；（3） 影響因素上，管內(nèi)工作介質(zhì)、閥門尺寸、閥門類型、測量位置等因素等都會對閥門內(nèi)漏的流場和聲場特征造成影響，因此在檢測過程中必須考慮。