船用三通調(diào)節(jié)閥流-固耦合噪聲數(shù)值模擬

施紅旗 周 旭 周愛民 張博浩 李樹勛

(1 武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430205)

(2 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 蘭州 730050)

0 引言

隨著我國對船舶總體性能要求的提升，船用閥門作為船舶使用裝備中重要的壓力元件，學(xué)者們對其技術(shù)要求也不斷提高。三通調(diào)節(jié)閥作為船用閥門中重要的調(diào)節(jié)元件，是保障系統(tǒng)正常安全運行的關(guān)鍵所在，因此準(zhǔn)確分析實際工作工況下的噪聲，對三通調(diào)節(jié)閥乃至整個系統(tǒng)安全運行具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對閥門噪聲進行了較多研究。文獻[1–2]做了超臨界多級套筒調(diào)節(jié)閥空化抑制模擬研究，另外針對蒸汽疏水閥在高溫高壓工況的過熱蒸汽導(dǎo)致的振動噪聲問題，設(shè)計了節(jié)流降壓消聲器；文獻[3]以一種小流量調(diào)節(jié)閥為研究對象，計算了在內(nèi)部湍流作用下閥門壁面結(jié)構(gòu)振動導(dǎo)致的外部噪聲；文獻[4]用數(shù)值模擬與實驗驗證的辦法研究了閥門應(yīng)力與振動激勵的關(guān)系；文獻[5]提出了一種分析流動引起的噪聲問題的仿真技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了計算流體動力學(xué)(Computational fluid dynamics,CFD)、邊界元法和氣動聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)源定位方法確定了渦旋脫落頻率下氣動聲源的性質(zhì)；文獻[6] 進行了實驗和模擬，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的噪聲并不取決于流入速度條件，而是取決于管道的聲學(xué)和振動頻率特性。

以上研究分析了相關(guān)聲學(xué)理論及兩通閥噪聲數(shù)值模擬，但是尚無對于合流型三通閥的噪聲數(shù)值模擬方法研究。為此，基于流-固耦合理論，同時考慮流-固耦合面及流體域脈動聲源，開展船用三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%及60%開度下的噪聲數(shù)值模擬研究。

1 三通調(diào)節(jié)閥噪聲理論分析

機械振動噪聲、流體動力噪聲、流體空化噪聲是閥門振動噪聲的主要來源，由于閥門內(nèi)部零件加工、裝配精度均滿足設(shè)計要求，故該閥不會產(chǎn)生機械振動噪聲。三通調(diào)節(jié)閥介質(zhì)為淡水，主通與旁通壓力1 MPa 左右，遠高于淡水的飽和蒸氣壓力，故不會產(chǎn)生空化噪聲。綜上可得三通調(diào)節(jié)閥研究過程中主要考慮流體動力噪聲。流體動力噪聲指由流體中物體的阻礙作用導(dǎo)致流體流場劇烈變化從而產(chǎn)生輻射的噪聲稱之為流體動力噪聲。噪聲聲源體為流-固耦合作用的偶極子。

偶極子聲源是指兩個距離很近、相位相反，并以相同幅值振動的單極子聲源構(gòu)成。模型圖如圖1所示。

圖1 偶極子聲源模型圖Fig.1 Dipole sound source model diagram

偶極子聲源產(chǎn)生聲壓的空間部分可表示為

其中：ρ為介質(zhì)密度；c為聲波傳播速度；θ為相位角；r為聲源半徑。

式(2)中：kr為方便計算引入的相位角。

三通調(diào)節(jié)閥在偶極子聲學(xué)激勵下，噪聲產(chǎn)生機理如圖2 所示。圖中AWPF(Acoustic wall pressure fluctuation)指聲學(xué)壓力波動；TWPF(Turbulent wall pressure fluctuation)指湍流壓力波動；閥門在工作時，流體介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。流體介質(zhì)向四周傳播，輻射出流動噪聲與閥及閥控管系內(nèi)壁面聲-固耦合產(chǎn)生振動噪聲。此外，流體介質(zhì)除了內(nèi)部湍流產(chǎn)生的噪聲外，還包括流體介質(zhì)與閥及閥控管系內(nèi)壁面的振動輻射噪聲。綜合考慮以上兩種聲源，采用流-固耦合理論開展三通調(diào)節(jié)閥噪聲數(shù)值模擬研究。流-固耦合技術(shù)路線圖如圖3所示。

圖2 三通調(diào)節(jié)閥噪聲產(chǎn)生機理Fig.2 Noise generation mechanism of three-way regulating valve

圖3 流-固耦合方法路線圖Fig.3 Fluid-solid coupling method roadmap

2 分析模型

2.1 三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)模型

建立三通閥的模型結(jié)構(gòu)，三通調(diào)節(jié)閥的技術(shù)要求如表1所示。模型三維視圖如圖4所示。

表1 三通調(diào)節(jié)閥技術(shù)要求Table 1 Technical requirements of threeway regulating valve

圖4 三通調(diào)節(jié)球閥三維模型Fig.4 Three-dimensional model of three-way regulating ball valve

2.2 三通調(diào)節(jié)閥分析工況及材料參數(shù)

三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況參數(shù)和主要材料性能參數(shù)分別見表2、表3所示。

表2 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況參數(shù)Table 2 Actual working parameters of three-way regulating valve

表3 三通調(diào)節(jié)閥閥體材料性能參數(shù)Table 3 Material performance parameters of three-way control valve body

3 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%開度噪聲分析

3.1 基于k-ε 模型三通調(diào)節(jié)閥80%開度定常流動分析

為實現(xiàn)高精度CFD流場模擬，在保證計算精度的前提下，對三通調(diào)節(jié)閥的三維模型進行合理簡化。在80%開度下基礎(chǔ)上，閥前與閥后分別增加2 倍與6倍公稱直徑長度的管道，保證流體域充分發(fā)展。根據(jù)三通閥模型進行反向建模得到流道模型，并根據(jù)四面體和六面體各自的網(wǎng)格優(yōu)勢對流道模型進行網(wǎng)格劃分，同時對閥芯與流體接觸區(qū)域的網(wǎng)格局部加密處理。閥芯流道模型網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 閥芯流道模型網(wǎng)格剖視圖Fig.5 Grid profile of valve core flow channel model

以出口壓力為目標(biāo)進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。劃分網(wǎng)格單元數(shù)從1137556 到1835247，計算3 種不同網(wǎng)格的質(zhì)量流量值。從網(wǎng)格1 到網(wǎng)格2 壓力的變化值為3.7%，從網(wǎng)格2 到網(wǎng)格3 壓力的變化值為0.93%，壓力變化值很小，最終流道全開網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為257536，單元數(shù)為1538455。

使用有限元仿真模擬軟件進行流場仿真計算，具體邊界條件數(shù)值如表4 所示。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，對湍流方程的離散格式采用high resolution格式。

表4 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況80%度工況參數(shù)Table 4 Three-way control valve actual working condition 80% opening condition parameter table

三通調(diào)節(jié)閥80%開度下的內(nèi)部流動，其壓力、速度云圖分別選取ZX截面云圖，三維流線云圖選取斜二測云圖，具體如圖6、圖7、圖8 所示。由圖6 可知，三通調(diào)節(jié)閥在實際工作工況80%開度下，由于閥芯節(jié)流作用壓力波動較大，局部壓降達到0.02 MPa，閥后壓力分布均勻。由圖7可知，閥門在閥芯節(jié)流處流速最大，約為5.46 m/s。結(jié)合圖8速度流線圖可知，閥芯內(nèi)部節(jié)流及流道出口區(qū)域速度流線分布混亂，流體介質(zhì)處于湍流，并在閥芯內(nèi)部流域有渦流產(chǎn)生。因此，三通調(diào)節(jié)閥閥芯內(nèi)部及流道出口區(qū)域的湍流渦旋，是三通調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生流致噪聲的主要來源。

圖6 ZX 截面壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution map of ZX section

圖7 ZX 截面流速分布圖Fig.7 Velocity distribution of ZX section

圖8 三維流線斜二側(cè)視圖Fig.8 Three-dimensional streamline oblique twoside view

3.2 三通調(diào)節(jié)閥80%開度非定常流動計算

在定常流動收斂的基礎(chǔ)上，以三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%開度CFD 定常流動計算結(jié)果為初始條件，數(shù)值模擬該工況下的CFD 非定常流動。選擇時均N-S 方程為流體流動基本控制方程，采用可實現(xiàn)k-ε雙方程為湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。邊界條件設(shè)置主通壓力進口為0.58 MPa 和流量出口為0.3961 kg/s，旁通壓力進口為0.565 MPa和流量出口為0.6393 kg/s，壁面采用無滑移壁面。迭代收斂控制方程采用均方根(Root mean square,RMS)方法，精度設(shè)置為10×10-6，參考壓力為大氣壓0.1 MPa。非定常流動模擬時，時間間隔取1×10-3s。選擇Acoustic 聲學(xué)求解模型，并導(dǎo)出*.CGNS 格式的聲場信息(時域壓力脈動)，作為流-固耦合模擬三通調(diào)節(jié)閥流致噪聲的聲學(xué)激勵。

3.3 三通調(diào)節(jié)閥流-固耦合噪聲數(shù)值模擬方法驗證

綜合流-固耦合三通調(diào)節(jié)閥噪聲聲學(xué)數(shù)值模擬方法，及文獻[7]中通過50A47H-16C 型微啟式彈簧載荷安全閥噪聲試驗驗證了流-固耦合聲學(xué)數(shù)值模擬方法的正確性與精確度，噪聲試驗現(xiàn)場圖如圖9所示，試驗結(jié)果表明數(shù)值模擬噪聲聲壓級與試驗實測噪聲聲壓級的偏差在2%以內(nèi)，這也間接驗證了提出的大口徑管線球閥數(shù)值模擬內(nèi)漏噪聲仿真方法的可行性與精確性。由表5 可知，DN250 三通調(diào)節(jié)閥經(jīng)實驗測得實測噪聲聲壓級與數(shù)值模擬噪聲聲壓級僅相差1.85 dB(A)，偏差為3.5%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±5 dB(A)精確度要求。此外，數(shù)值模擬噪聲聲壓級略小于實測噪聲聲壓級，這是由于數(shù)值模擬時并未慮外部環(huán)境噪聲。故DN32 三通調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬結(jié)果可信。

3.4 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%開度振動分析

開展三通調(diào)節(jié)閥的振動分析，將其三維模型導(dǎo)入LMS Virtual.Lab軟件中進行網(wǎng)格劃分。80%開度下三通調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型如圖10 所示。以網(wǎng)格映射方式將流場外壁面的壓力脈動信息轉(zhuǎn)移到殼體內(nèi)壁面，并將時域壓力脈動信息進行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換后的采樣頻率為20～5000 Hz。

圖10 80%開度下閥門結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型Fig.10 Grid model of valve structure at 80%opening

由圖11 可知，80%開度下三通調(diào)節(jié)閥X、Y、Z三向振動峰值頻率均出現(xiàn)在4560 Hz，其中X、Y、Z三向振動峰值頻率重合。振動幅值大會產(chǎn)生較大的振動噪聲。將三向振動峰值頻率下的壓力幅值(dB)云圖列出。80%開度下三通調(diào)節(jié)閥及閥控管系內(nèi)壁面峰值頻率處的壓力脈動幅值(dB)云圖如圖12示。峰值頻率下的閥-閥控管系內(nèi)壁面壓力幅值分布呈階梯狀，主通及旁通進口管道壓力脈動幅值較小，在閥芯節(jié)流以及閥后管道部位由于流體介質(zhì)的湍流作用壓力脈動幅值較大，這也與CFD定常流動分析結(jié)果相吻合。

圖11 三通調(diào)節(jié)閥振動監(jiān)測點頻域加速度曲線圖Fig.11 Frequency-domain acceleration curve of vibration monitoring point of three-way control valve

圖12 80%開度下閥-閥控管道內(nèi)壁面壓力幅值云圖Fig.12 Pressure amplitude nephogram of inner wall of valve -valve control pipeline at 80 % opening

分析結(jié)果取振動加速度(m/s2)。取如圖13 所示三通調(diào)節(jié)閥及閥控管系振動模型中黃色圓點為振動監(jiān)測點，再使用LMS 軟件對流致振動進行定量分析，流致振動信息的耦合面位置是流體和固體接觸的固體壁面內(nèi)部。求解得到振動監(jiān)測點的X、Y、Z三向頻域振動加速度(m/s2)。圖14 為三通調(diào)節(jié)閥80%開度下三向振動峰值頻率的振動加速度(m/s2)云圖。80%開度下三通調(diào)節(jié)閥的振動加速度云圖取峰值頻率4560 Hz。由圖14 可知，80%開度下三通調(diào)節(jié)閥在閥后管道及閥前法蘭處的部分振動加速度較大，在閥體底部和閥前管道處振動較弱。表明閥門在工作工況時，流體介質(zhì)流經(jīng)三通調(diào)節(jié)閥-閥芯節(jié)流部位時，產(chǎn)生的流致振動對節(jié)流部位附近的零件及閥后管道影響較大，產(chǎn)生了較大的振動加速度。閥門振動監(jiān)測點的編號為22779，監(jiān)測點的頻域振動加速度幅值如圖11所示。由圖14可知，X、Y、Z三向振動加速度均在4560 Hz 處達到峰值，三向振動加速度幅值分別為0.079 m/s2、0.009 m/s2、0.057 m/s2。

圖13 三通調(diào)節(jié)閥及閥控管系三維振動模型Fig.13 Three-dimensional vibration model of three-way regulating valve and valve control piping system

圖14 80%開度下峰值頻率振動加速度云圖Fig.14 Nephogram of peak frequency vibration acceleration at 80% opening

3.5 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%開度噪聲分析

建立閥-閥控管系的聲場模型，并對其進行網(wǎng)格劃分。80%開度下三通調(diào)節(jié)閥噪聲聲學(xué)分析模型如圖15所示，80%開度下三通調(diào)節(jié)閥噪聲分析模型主要包括平面場網(wǎng)格1、平面場網(wǎng)格2、80%開度三通調(diào)節(jié)閥聲學(xué)網(wǎng)格、聲指向性曲線Line1、聲指向性曲線Line2 以及6 個聲壓檢測點組成。取距離管壁外1 m 處點作為聲壓監(jiān)測點。采用6 個聲壓監(jiān)測點求算術(shù)平均值的方法獲取三通調(diào)節(jié)閥流致噪聲。

圖15 三通調(diào)節(jié)閥80%開度下噪聲聲學(xué)分析模型圖Fig.15 Acoustic analysis model of noise at 80%opening of three-way control valve

將振動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到三通調(diào)節(jié)閥聲學(xué)網(wǎng)格上作為聲學(xué)邊界條件，基于Lighthill 聲類比理論，以Helmholtz 聲學(xué)波動方程計算三通調(diào)節(jié)閥的流致噪聲。對三通調(diào)節(jié)閥80%開度下流致噪聲進行流-固耦合數(shù)值模擬。

圖16為三通調(diào)節(jié)閥80%開度下閥-閥控管系在不同頻率下的聲壓(dB)分布圖。80%開度下三通調(diào)節(jié)閥聲壓監(jiān)測點在1700 Hz、3060 Hz 和3780 Hz頻率的聲壓幅值較高，是噪聲來源的主要成分。由圖16 可知，三通調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的流致噪聲經(jīng)過閥-閥控管系輻射到聲場網(wǎng)格上，聲壓(dB)在聲場網(wǎng)格水平面的分布呈現(xiàn)出前后基本對稱的趨勢，而在豎直面呈現(xiàn)出軸對稱的趨勢；輻射到聲場網(wǎng)格的聲壓主要集中在閥體節(jié)流處與閥門下游管道出口處。

圖16 三通調(diào)節(jié)閥-閥閥控管系不同頻率下聲壓分布圖Fig.16 Sound pressure distribution of valve-valve control system at different frequencies of three-way control valve

聲學(xué)分析模型中6 個聲壓監(jiān)測點的編號分別為937、41034、28489、942、27305、40603。分別對噪聲監(jiān)測點不同頻率下的聲壓級進行A 計權(quán)，得到20～5000 Hz 下聲壓頻譜圖，80%開度下三通調(diào)節(jié)閥不同監(jiān)測點的聲壓頻譜圖如圖17所示。

圖17 80%開度下三通調(diào)節(jié)閥不同監(jiān)測點的聲壓頻譜圖Fig.17 The sound pressure spectrum of different monitoring points of three-way control valve at 80% opening degree

由圖17可知，各個監(jiān)測點的聲壓頻譜曲線圖不完全一致，但總體聲壓級分布趨勢一致。80%開度下三通閥調(diào)節(jié)閥的噪聲成分在1000 Hz 以下聲壓級較小，在1700 Hz、3060 Hz、3780 Hz 頻率下噪聲聲壓級較大。根據(jù)式(3)編寫聲壓級疊加程序，分別對80%開度下三通調(diào)節(jié)閥不同聲壓監(jiān)測點的聲壓值進行疊加，得到各個監(jiān)測點在20～5000 Hz 頻率范圍內(nèi)的總噪聲聲壓級，詳見表6。

表6 80%開度下三通調(diào)節(jié)閥各個監(jiān)測點處聲壓級Table 6 Sound pressure level at each monitoring point of three-way control valve under 80% opening

聲壓級疊加計算公式為

式(3)中：ni為第i個采樣頻率點的聲壓；N為頻率采樣數(shù)。

由表6 可知，三通調(diào)節(jié)閥80%開度下不同聲壓監(jiān)測點的聲壓級差別較小，聲壓級相差不超過2 dB(A)，取6 個聲壓監(jiān)測點聲壓級的算術(shù)平均值為三通調(diào)節(jié)閥80%開度下噪聲聲壓級。三通調(diào)節(jié)閥80%開度下噪聲聲壓級為49.10 dB(A)，滿足要求的噪聲低于60 dB(A)的規(guī)定，故PN10DN32 三通調(diào)節(jié)閥在實際工作工況下80%開度的噪聲滿足要求。

圖18 為80%開度下三通調(diào)節(jié)閥及閥控管系在1700 Hz、3060 Hz、3780 Hz 頻率下的聲指向性曲線圖。如圖18 所示，在三通調(diào)節(jié)閥外部設(shè)置兩條圓周型聲指向性曲線，分別命名Line1 和Line2。聲指向性曲線按圓周方向360°分布，監(jiān)測點間隔10°，共由36 個監(jiān)測點組成。將聲指向性曲線的聲壓值轉(zhuǎn)化極坐標(biāo)。圖18(a)Line1 指向性曲線反映了三通調(diào)節(jié)閥在XOZ平面的噪聲指向性。由圖18(a)可以看出，1700 Hz與3780 Hz下三通調(diào)節(jié)閥噪聲聲壓級在XOZ平面圓周方向分布均勻；在3060 Hz 下，閥門主通管道方向與閥門管道方向，即0°與170°方向噪聲聲壓值較小。圖18(b)Line2指向性曲線反映了三通調(diào)節(jié)閥XOY平面的噪聲指向性。由圖18(b)可以看出，1700 Hz 與3060 Hz 下聲指向性分布均勻；在3780 Hz下，三通調(diào)節(jié)閥在閥后管道，即0°方向噪聲聲壓值大于其他方位聲壓值。

圖18 三通調(diào)節(jié)閥80%開度下聲指向性曲線圖Fig.18 Acoustic directivity curve of three-way control valve with 80% opening

4 三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下60%開度噪聲分析

采用與80%開度相同的數(shù)值模擬方法，分析三通閥60%開度聲學(xué)特性。得到各個監(jiān)測點在20～5000 Hz 頻率范圍內(nèi)的總噪聲聲壓級，詳見表7。由表7 可知，三通調(diào)節(jié)閥在實際工作工況下60%開度的噪聲同樣滿足要求。

表7 60%開度下三通調(diào)節(jié)閥各個監(jiān)測點處聲壓級Table 7 Sound pressure level at each monitoring point of three-way control valve under 60% opening

聲壓頻譜圖如圖19所示。由圖19可知，各個監(jiān)測點的聲壓頻譜曲線圖不完全一致，但總體聲壓級分布趨勢一致。60%開度下三通閥調(diào)節(jié)閥的噪聲成分在500 Hz以下聲壓級較小，在1700 Hz、3540 Hz、4100 Hz頻率下聲壓級較大。

圖19 三通調(diào)節(jié)閥不同監(jiān)測點的聲壓頻譜圖Fig.19 The sound pressure spectrum of different monitoring points of three-way control valve

圖20 為60%開度下三通調(diào)節(jié)閥及閥控管系在1700 Hz、3540 Hz 和4100 Hz 頻率下的聲指向性曲線圖。在60%開度三通調(diào)節(jié)閥外部設(shè)置兩條圓周型聲指向性曲線，分別命名Line3 和Line4。聲指向性曲線按圓周方向360°分布，監(jiān)測點間隔10°，共由36 個監(jiān)測點組成。圖20(a)Line3 指向性曲線反映了XOZ平面的噪聲指向性。由圖20(a)可以看出，1700 Hz、3540 Hz 以及4100 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥噪聲在XOZ平面120°方向附近噪聲聲壓級較小，其余方向聲壓級分布較為均勻。圖20(b) Line4 指向性曲線反映了XOY平面的噪聲指向性。由圖20(b)可以看出，1700 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥在XOY平面345°方向噪聲聲壓級較大，3540 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥在150°方向噪聲聲壓值大于其他方向。

圖20 三通調(diào)節(jié)閥60%開度下聲指向性曲線圖Fig.20 Acoustic directivity curve of three-way control valve with 60% opening

5 結(jié)論

根據(jù)以上對PN10DN32 三通調(diào)節(jié)閥在實際工作工況下80%及60%開度的流-固耦合噪聲數(shù)值模擬分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 采用流-固耦合數(shù)值模擬方法，求得三通調(diào)節(jié)閥實際工作工況下80%與60%開度的噪聲聲壓級分別為49.14 dB(A)、50.79 dB(A)。噪聲聲壓級均小于60 dB(A)的噪聲限制。

(2) 由兩個方向上的聲指向性曲線分析可得：80%開度下，在XOZ平面，1700 Hz 與3780 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥噪聲聲壓級在XOZ平面圓周方向分布均勻，且0°與170°方向噪聲聲壓值較?。辉赬OY平面，1700 Hz 與3060 Hz 下聲指向性分布均勻，且0°方向噪聲聲壓值大于其他方位聲壓值。60%開度下，1700 Hz、3540 Hz 以及4100 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥噪聲在XOZ平面120°方向附近噪聲聲壓級較小，其余方向聲壓級分布較為均勻；1700 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥在XOY平面345°方向噪聲聲壓級較大，3540 Hz 下三通調(diào)節(jié)閥在150°方向噪聲聲壓值大于其他方向。

(3) 三通調(diào)節(jié)閥噪聲實驗驗證證明數(shù)值模擬分析方法結(jié)果可行性與精確度較高，對今后三通調(diào)節(jié)閥聲學(xué)特性研究具有指導(dǎo)意義。