周愛民，段 晨，余 濤，周蘇明，李樹勛

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050)

船用海水調(diào)節(jié)閥聲學(xué)性能的仿真預(yù)測與試驗研究

周愛民1，段 晨1，余 濤1，周蘇明1，李樹勛2

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050)

為預(yù)測某型船用三通調(diào)節(jié)閥聲學(xué)性能特性，應(yīng)用Solidworks軟件對閥體主、側(cè)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。首先將幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行壓力場和速度場仿真分析，獲取改進(jìn)后閥體的三維模型；進(jìn)一步利用ANSYS軟件和聲學(xué)分析軟件LMS預(yù)測了調(diào)節(jié)閥在不同開度下主、側(cè)通道的噪聲和振動特性曲線。分析結(jié)果表明：閥體噪聲和振動隨著主通道開度的增加而變大；與試驗值相比，兩者吻合度較高，偏差最大值不超過7%。

海水調(diào)節(jié)閥;噪聲與振動;CFD仿真；試驗比較

1 前言

船舶海水冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中，各艙室主管路之間及各支管路海水用戶均設(shè)置了不同類型的調(diào)節(jié)閥門，其主要功能是調(diào)節(jié)和控制管網(wǎng)內(nèi)流體的流量、壓阻和流向，維持系統(tǒng)流量的動態(tài)平衡，從安全、減振降噪的角度出發(fā)對各種閥門的性能進(jìn)行分析是十分必要的。文獻(xiàn)[1～5]已證明，閥門附近的漩渦是其產(chǎn)生流噪聲的主要原因，并且隨著開度的變化，閥門附近漩渦的尺度增大、渦量變大、噪聲增加，成為影響系統(tǒng)噪聲指標(biāo)的主要因素。目前，在船舶領(lǐng)域內(nèi)對于調(diào)節(jié)閥門聲學(xué)性能的研究日益重視，基本設(shè)計路線為噪聲源分析→聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化?CFD強(qiáng)度校核與仿真→試驗臺架驗證。但由于閥門結(jié)構(gòu)、邊界條件及模型計算方程的復(fù)雜性，對其聲學(xué)性能進(jìn)行較為可信的CFD仿真預(yù)測比較困難，相關(guān)文獻(xiàn)較少。其中文獻(xiàn)[6，7]以某型蒸汽管路截止閥為研究對象，分析了閥門作為蒸汽管路中噪聲源的聲源特性，通過CFD數(shù)值模擬研究了閥門內(nèi)部蒸汽流場的分布狀態(tài)以及閥門流噪聲的頻譜特性。文獻(xiàn)[8]采用CFD技術(shù)優(yōu)化了某通海閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，有效地提高閥內(nèi)最低壓力、降低閥內(nèi)最高流速和閥內(nèi)最高湍動能、消除漩渦，從根本上降低了閥門流噪聲，為高壓通海閥提供一個安全、流暢的內(nèi)部通道。這些成果對于研究海水調(diào)節(jié)閥的聲學(xué)性能均有一定的借鑒。

本文以某型低噪聲海水三通調(diào)節(jié)閥為對象，借助有限元分析軟件ANSYS、計算流體力學(xué)CFD軟件Fluent和CFX、振動噪聲分析軟件LMS Virtual.Lab，建立閥體主、側(cè)流道三維幾何模型，根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與聲學(xué)性能耦合計算的方程式，研究閥體在不同壓差、不同開度下噪聲和振動總振級等聲學(xué)特性，并與其試驗結(jié)果進(jìn)行比較。本文研究成果能為后續(xù)同類閥件的聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 模型構(gòu)建及仿真計算

2.1 海水調(diào)節(jié)閥流道模型的建立

選取的某型三通海水調(diào)節(jié)閥主要參數(shù)為DN65，額定流量20 m3/h，主、側(cè)通道流量特性曲線見圖1，流量特性為控制回路等百分比，旁通回路線性。

圖1 三通調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

利用SolidWorks三維實體建模軟件，建立三通調(diào)節(jié)閥三維流道模型，流道模型網(wǎng)格由ICEM CFD軟件劃分生成。由于三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔形狀和流動狀態(tài)復(fù)雜，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法生成閥內(nèi)流動區(qū)域貼體網(wǎng)格，閥體采用四面體/混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且對流動變化劇烈區(qū)域如調(diào)節(jié)閥入口處流道、閥芯端部流道都進(jìn)行了加密處理。三通調(diào)節(jié)閥流道模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)閥主、側(cè)通道網(wǎng)格模型

模型建立后計算方程的選取及計算過程詳見文獻(xiàn)[6]。

2.2 不同開度下壓力場及速度場分析

對三通調(diào)節(jié)閥的主、側(cè)通道流道模型在ANSYS CFX中進(jìn)行模擬求解，以水為介質(zhì)，模擬計算3種壓差(30，50，100 kPa)下三通調(diào)節(jié)閥主、側(cè)通道在不同開度(以主通道開度為基準(zhǔn))下的流量分布，并得到調(diào)節(jié)閥主流道內(nèi)部在不同開度下的壓力和速度分布云圖，見圖3,4。

圖3 三通閥主通道在不同開度下壓力云圖

圖4 三通閥主通道在不同開度下速度云圖

由圖3可以看出，在20%開度下閥進(jìn)口流道壓力分布相對較高，而V型開口處壓力稍有緩和。在60%開度下，調(diào)節(jié)閥壓力較高的地方出現(xiàn)在閥入口處，V型開口區(qū)域壓力呈緩和趨勢，閥后壓力分布均勻；在100%開度下，介質(zhì)流經(jīng)的區(qū)域壓力分布相對均勻，高壓主要集中在閥入口V型開口以外的區(qū)域，此時壓力分布緩和，V型開口內(nèi)壓力有所增大。

由圖4可以看出，閥剛開啟(20%開度)時，V型開口端部處的流速最大，出現(xiàn)速度集中，主要是V型切口節(jié)流造成的影響；隨著開度的增加，流速較大的地方集中在V型開口區(qū)域內(nèi)，向四周呈逐漸降低的趨勢。

以上針對閥體結(jié)構(gòu)三維模型的仿真可為閥體內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，為下一步開展閥體聲學(xué)性能計算提供基礎(chǔ)。

2.3 三通調(diào)節(jié)閥噪聲性能預(yù)測

調(diào)節(jié)閥的噪聲預(yù)測采用理論公式計算，具體方法為：利用CFD軟件Fluent對閥體在預(yù)測工況下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得閥的流量系數(shù)及預(yù)測工況下的流量值；再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60534-8-4-2005中的典型閥門的噪聲預(yù)測公式進(jìn)行噪聲的理論計算。

經(jīng)仿真計算得知閥門主通道在20%、60%、80%、100%開度下，工作壓力為1 MPa時擬合出不同開度下噪聲曲線，如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)閥不同開度下噪聲曲線

2.4 三通調(diào)節(jié)閥總振級性能預(yù)測

采用LMS Virtual.Lab軟件和CFD軟件相結(jié)合的方式，基于直接邊界元法對閥門聲學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測。將優(yōu)化后的系統(tǒng)管路-閥體模型導(dǎo)入CFD軟件，利用CFX模塊模擬得到流體流動穩(wěn)態(tài)信息，然后對流體進(jìn)行瞬態(tài)分析，對于管、閥等非旋轉(zhuǎn)機(jī)械，根據(jù)文獻(xiàn)[9,10]定義0～300 Hz的頻率范圍可覆蓋管道所有的振動頻率，對流體瞬態(tài)初始條件進(jìn)行設(shè)定，得到流體壓力脈動時域信息，圖6為主通道全開時流體耦合面壓力1s時的壓力脈動云圖。

圖6 主通道全開時流體耦合面壓力脈動云圖

將上述管-閥三維模型導(dǎo)入LMS軟件，利用軟件自帶網(wǎng)格劃分模塊對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖7所示，其中原點(diǎn)為振動監(jiān)測點(diǎn)。

圖7 管—閥系統(tǒng)網(wǎng)格劃分模型

將管道兩端固定，利用直接邊界元法(BEM)對耦合面加速度信息傳遞進(jìn)行模擬，得到管-閥壁面的頻域加速度幅值(dB)，圖8為主通道全開時頻率49.9 Hz的管-閥壁面加速度幅值。

圖8 主通道全開時頻率49.9 Hz壁面加速度振動幅值

由圖可知，頻率49.9 Hz時閥體壁面的加速度振動幅值最大，最大值為-94.5 dB，由于管道兩端固定，管-閥結(jié)構(gòu)越接近固定端處，其振動加速度幅值越小。

對閥門同一監(jiān)測點(diǎn)不同行程(0°、9°、18°、27°、36°、45°、54°、63°、72°、81°、90°)下的振動加速度進(jìn)行模擬，將不同開度下主、側(cè)通道的振動加速度繪于同一坐標(biāo)圖中，如圖9所示，側(cè)通道全開時閥門總振級最大( 94.0 dB)。

圖9 不同行程下振級曲線

3 試驗驗證及結(jié)果分析

振動性能測試按文獻(xiàn)[9,10]中的相關(guān)要求進(jìn)行，調(diào)節(jié)閥噪聲性能測試文獻(xiàn)[11，12]要求進(jìn)行，噪聲振動性能試驗臺架如圖10所示。

圖10 噪聲振動試驗系統(tǒng)原理示意

3.1 三通調(diào)節(jié)閥噪聲性能試驗

噪聲試驗時，噪聲測量包括閥門流噪聲和環(huán)境噪聲，閥門流噪聲的聲壓級為測量的總聲壓級去除環(huán)境噪聲產(chǎn)生的背景聲壓級[13～15]。通過調(diào)節(jié)閥前壓力，測量不同開度下閥門的總聲壓級，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3222.2中式(5)得到該閥的實際測點(diǎn)聲壓級，試驗數(shù)據(jù)見表1和表2。由表1、表2可知，經(jīng)修正后主通道噪聲最大值在主通道全開處，最大值為43.2 dB；側(cè)通道最大值在側(cè)通全開處，最大值為42.2 dB。仿真模擬值與試驗值最大偏差為6.67%。

表1 主通道噪聲試驗數(shù)據(jù)

表2 側(cè)通道噪聲試驗數(shù)據(jù)

3.2 三通調(diào)節(jié)閥振動性能試驗

總振級試驗時，測量總振級包括閥門流激振動、泵傳遞振動以及基礎(chǔ)傳遞振動等，閥門實際總振級為測量總振級與本底振動總振級的差值，試驗數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 主通道振動試驗數(shù)據(jù)

表4 側(cè)通道振動試驗數(shù)據(jù)

由表3、表4可知，總振級試驗數(shù)據(jù)經(jīng)修正后，主通道總振級最大值在主通道全開處，最大值為90.5 dB；側(cè)通道總振級最大值在側(cè)通全開處，最大值為97.3 dB。仿真模擬值與實際試驗值間最大偏差為7.0%。

4 結(jié)語

在某型船用三通調(diào)節(jié)閥主、側(cè)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD仿真軟件和聲學(xué)分析軟件LMS預(yù)測了閥體主、側(cè)通道在不同開度下聲學(xué)性能指標(biāo)，獲取了閥體在全頻率段的壓力幅值和振動加速度值，擬合了閥體在不同開度下主、側(cè)通道的噪聲和振動特性曲線。閥體噪聲和振動隨著主通道開度的增加而變大，預(yù)測值與試驗值比較結(jié)果表明：兩者吻合度較高，最大值偏差不超過7%，造成這種偏差的主要原因有：仿真計算中，對模型邊角的簡化以及對模型表面加工精度的忽略，此外復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，對計算精度也有影響。

本文對于海水系統(tǒng)各類調(diào)節(jié)閥件減振降噪設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡介：周愛民(1979-)，男，高級工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事船舶大氣環(huán)境控制系統(tǒng)的研究,通訊地址：430205 湖北武漢市江夏區(qū)藏龍島科技園楊橋湖大道19號2室，E-mail：epe-zhouaimin@163.com。

Acoustic Performance Simulation Prediction and Experimental Research of Marine Seawater Regulating Valve

ZHOU Ai-min1，DUAN Chen1，YU Tao1，ZHOU Su-ming1，LI Shu-xun2

(1.Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China；2.Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，China)

It was established an optimization design of the main and by-pass channels′ structure for some marine seawater regulating valve with Solidworks software to predict its acoustic performance.Firstly valve geometrical model has been imported in the Fluent CFD software to simulate the distribution of pressure and velocity field，which can obtain the improved 3D valve model.Moreover the noise and vibration curve of the main and by-pass channels for some 3-way regulating valve with ANSYS and LMS software.The results show that the valve noise and vibration become larger with the increase of the main channel′s opening degree.Compared with the system test experimental data，its acoustic characteristics indicate remarkable consistency and the maximum error is less than 7%.

seawater regulating valve；noise and vibration；CFD simulation；experimental comparison

李曉博(1992-)，男，碩士生，研究方向為機(jī)械設(shè)備故障診斷及專家系統(tǒng)研究。

江志農(nóng)(1967-)，教授，通訊地址：100029 北京市朝陽區(qū)北三環(huán)東路15號北京化工大學(xué)科技樓211，E-mail:jiangzhinong@263.net。

1005-0329(2017)01-0015-05

2016-05-12

2016-06-29

TH137

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.003