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(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205)

船舶自流注水系統(tǒng)閥門流動(dòng)噪聲預(yù)測

方超，蔡標(biāo)華，馬士虎，俞健

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205)

針對(duì)船舶自流注水系統(tǒng)閥門噪聲問題，利用CFD技術(shù)對(duì)系統(tǒng)閥門附近流場進(jìn)行3種壓差工況的數(shù)值計(jì)算，分別使用閥門噪聲經(jīng)驗(yàn)公式和聲學(xué)數(shù)值計(jì)算法對(duì)閥門流動(dòng)噪聲進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果對(duì)比表明，2種方法計(jì)算誤差均較小，驗(yàn)證了閥門噪聲經(jīng)驗(yàn)公式和聲學(xué)數(shù)值計(jì)算法對(duì)閥門噪聲預(yù)測的可靠性，在工程實(shí)際中可用于閥門噪聲的初步檢測。

閥門；流噪聲；CFD；聲學(xué)計(jì)算

自流注水系統(tǒng)利用舷外和艙內(nèi)壓力差對(duì)水艙進(jìn)行自流注水，在各種船舶海水系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。自流注水系統(tǒng)閥門噪聲問題突出，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中閥門噪聲預(yù)測尤其重要。目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)船舶水動(dòng)力噪聲預(yù)測做了大量分析研究[1-4],但少見關(guān)于船用閥門噪聲預(yù)測研究的文獻(xiàn)報(bào)道。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理不同閥門噪聲分為機(jī)械振動(dòng)噪聲、氣蝕噪聲和流體噪聲[5-8]。其中機(jī)械振動(dòng)噪聲一般可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以消除。氣蝕噪聲和流體噪聲是由流體介質(zhì)流動(dòng)所引起，合稱為流動(dòng)噪聲，二者相互耦合。針對(duì)自流注水系統(tǒng)(見圖1)的閥門流動(dòng)噪聲預(yù)測問題，選擇自流注水系統(tǒng)3種典型的工況，建立模型利用CFD技術(shù)進(jìn)行流場計(jì)算，提取流場計(jì)算結(jié)果，分別采用VDMA經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)系統(tǒng)閥門噪聲進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證2種閥門噪聲預(yù)測方法的可靠性。

圖1 船舶自流注水系統(tǒng)原理

1 閥門流動(dòng)噪聲預(yù)測方法介紹

閥門管路的流動(dòng)噪聲，目前主要有2類預(yù)測方法：傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式法；聲學(xué)數(shù)值計(jì)算的方法。

1)經(jīng)驗(yàn)公式法。在已知管路的幾何尺寸和流動(dòng)參數(shù)情況下，利用相應(yīng)公式估算得到噪聲聲壓級(jí)。國際電氣工程標(biāo)準(zhǔn)IEC60534、西德機(jī)器制造業(yè)協(xié)會(huì)(VDMA)均針對(duì)閥門噪聲預(yù)測給出了估算公式，2種估算公式結(jié)構(gòu)形式和考慮因素大體相同。選擇VDMA公式進(jìn)行自流注水系統(tǒng)閥門噪聲估算。

Lw=40+10lgKv+18lgΔPv-5lgρf+ΔLa，cav(1)

(2)

式中，xF=(p1-p2)/(p1-p2)，Zy為調(diào)節(jié)閥開度為Y時(shí)的Z值；球閥Z值一般取0.2。

2)數(shù)值計(jì)算法。管內(nèi)流動(dòng)噪聲源主要來自壁面的偶極子源和雷諾應(yīng)力的四極子源[9]。在高馬赫數(shù)下，四極子聲源項(xiàng)的量級(jí)與主要聲源項(xiàng)相同，不可忽略；而在低馬赫數(shù)下，偶極子聲源的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四極子聲源，四極子聲源在計(jì)算中可忽略不計(jì)。本例中流動(dòng)為低馬赫數(shù)，數(shù)值計(jì)算時(shí)四極子聲源可以忽略。

數(shù)值計(jì)算流體噪聲目前有2種途徑：基于FW-H積分形式方程的解法；先結(jié)合CFD計(jì)算與Lighthill理論求解壁面偶極子，再使用邊界元法求解聲學(xué)Helmholtz方程。積分求解FW-H方程的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量和計(jì)算格式要求相對(duì)較低，但也存在只能計(jì)算遠(yuǎn)場輻射，內(nèi)存計(jì)算誤差大和不能考慮結(jié)構(gòu)和聲學(xué)裝置的影響等缺點(diǎn)；邊界元法的優(yōu)點(diǎn)是能考慮聲傳播的問題，可以進(jìn)行復(fù)雜聲場的計(jì)算，不足是只考慮了壁面的偶極子聲源。

管內(nèi)流場噪聲計(jì)算需要考慮管壁對(duì)聲波的反射吸收等聲傳播問題，采用積分求解FW-H方程法誤差較大，因此宜采用邊界元法。邊界元法以Lighthill方程為控制方程，對(duì)控制方程進(jìn)行傅里葉變換得到Helmholtz方程。

2pa6k2pa=-

(3)

通過CFD流場瞬態(tài)計(jì)算，提取管道閥門壁面壓力脈動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件轉(zhuǎn)換成等效的流體聲源，并映射到聲學(xué)邊界元網(wǎng)格上，求解Helmholtz方程可得到管道內(nèi)聲場特性。

2 閥門瞬態(tài)流場計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值計(jì)算法預(yù)測閥門噪聲都是基于CFD計(jì)算結(jié)果，流場計(jì)算結(jié)果對(duì)于閥門噪聲預(yù)測的精確度有重要的影響。采用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合流場仿真計(jì)算結(jié)果預(yù)測閥門噪聲基于瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，本文分別在3種壓差工況下對(duì)球閥進(jìn)行瞬態(tài)流場數(shù)值計(jì)算。

2.1 幾何模型和計(jì)算工況

球閥三維數(shù)值模型進(jìn)出口管徑為100 mm，閥芯通徑為80 mm，3種典型工況見表1。對(duì)計(jì)算幾何模型進(jìn)行簡化處理，計(jì)算流場時(shí)不考慮壁面厚度。利用ICEM軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為263萬，滿足計(jì)算的精度要求。

表1 閥門仿真計(jì)算工況

流場邊界條件均為壓力進(jìn)口和壓力出口，管內(nèi)壁表面和閥芯內(nèi)表面為固體壁面邊界，采用無滑移條件。流體介質(zhì)為水，不可壓縮，流動(dòng)過程無熱量交換，溫度為20 ℃ ，計(jì)算過程中忽略重力影響。

2.2 流場計(jì)算結(jié)果

首先利用RANS模型對(duì)流場進(jìn)行定場模擬，流場穩(wěn)定后，再用LES模型進(jìn)行非定場計(jì)算。計(jì)算時(shí)間步長設(shè)為5×10-5s,計(jì)算時(shí)間步數(shù)設(shè)為200步，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)10-3。模擬中得到最高頻率為10 kHz,滿足工程實(shí)際中關(guān)注的頻率范圍[10]。

3種工況流場壓力和速度分布見圖2，流動(dòng)噪聲的產(chǎn)生與流體壓力和速度密切相關(guān)。

圖2 3種工況下壓力和速度分布

對(duì)于工況一，系統(tǒng)流量為496.8 m3/h，由于閥門的節(jié)流作用，最高流速達(dá)到了61.62 m/s，閥后壓力迅速降低，存在較大的負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓低于 20 ℃時(shí)海水飽和蒸汽壓力，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，誘發(fā)嚴(yán)重的空化噪聲。閥門處流場的劇烈變化會(huì)對(duì)閥門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，導(dǎo)致閥門及管壁振動(dòng)并向外輻射噪聲。工況二、三因注水艙背壓的原因流量減小，分別為367.9 m3/h和197.7 m3/h，同時(shí)由于水艙背壓的存在，空化現(xiàn)象消失。

3種工況下部分流動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 3種工況下流場計(jì)算結(jié)果

3 閥門流噪聲計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果

根據(jù)流場計(jì)算結(jié)果，結(jié)合式(2)計(jì)算得到3種工況下自流注水系統(tǒng)閥門流噪聲總聲壓級(jí)。VDMA閥門水動(dòng)力噪聲聲壓級(jí)估算公式計(jì)算的閥門噪聲為空氣噪聲，測試條件與標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方案相同，測點(diǎn)設(shè)在調(diào)節(jié)閥出口法蘭的平面內(nèi)，距管道外壁1 m處，計(jì)算結(jié)果為流體動(dòng)力噪聲總聲壓級(jí)。

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和試驗(yàn)測量結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 VDMA經(jīng)驗(yàn)公式噪聲計(jì)算結(jié)果

工況一公式估算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大2.62 dB，工況二和工況三公式估算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果分別小13.00 dB和10.97 dB。VDMA閥門水動(dòng)力噪聲聲壓級(jí)估算公式只考慮了在封閉管道系統(tǒng)中的流體動(dòng)力學(xué)噪聲，而并不包括調(diào)節(jié)閥內(nèi)部可動(dòng)部件產(chǎn)生的響聲，以及在固體材料中傳播的聲音，或由于某種原因反射和共振造成的聲音放大效應(yīng)。目前的空氣噪聲試驗(yàn)測量技術(shù)手段無法將多種噪聲源混合的噪聲分開測量，試驗(yàn)測量空氣噪聲包含閥門及管壁振動(dòng)輻射噪聲，因此理論上試驗(yàn)所測空氣噪聲相對(duì)式(1)估算噪聲較大，考慮流場數(shù)值計(jì)算誤差的因素，可認(rèn)為估算結(jié)果與真實(shí)情況基本吻合。

3.2 聲學(xué)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

將管道壁面壓力脈動(dòng)導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件Virtual Lab中計(jì)算流動(dòng)噪聲，計(jì)算得到不同工況下監(jiān)測面聲壓分布見圖3。監(jiān)測面設(shè)在調(diào)節(jié)閥進(jìn)口法蘭處，監(jiān)測面中心處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)聲壓頻域分布見圖4。

由計(jì)算結(jié)果可知，工況一、二、三總聲壓級(jí)分別為207.4，191.4，191.3 dB，閥門流動(dòng)噪聲隨閥門前后壓差的減小而減小。當(dāng)壓差減小到一定程度后，流體介質(zhì)流速降低，閥門處流體不再發(fā)生空化，空化噪聲消失，繼續(xù)減小閥門壓差對(duì)流動(dòng)噪聲的抑制作用減弱，與式(1)預(yù)測趨勢相吻合。

圖3 3種工況下聲壓分布云圖(100 Hz)

圖4 3種工況下監(jiān)測點(diǎn)聲壓頻域分布

數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果對(duì)比見圖5，3種工況下運(yùn)用水聽器測得監(jiān)測點(diǎn)處流動(dòng)噪聲總聲壓級(jí)分別為198.3，186.5，180.3 dB，相對(duì)計(jì)算值誤差分別為9.1，4.9，11.0 dB，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果隨閥門前后壓差減小變化趨勢基本一致，考慮流場和聲場的計(jì)算誤差等因素，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合。

圖5 不同壓差下監(jiān)測點(diǎn)總聲壓級(jí)計(jì)算值和測量值比較

4 結(jié)論

1)2種方法均可以較好地預(yù)測閥門流動(dòng)噪聲。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明2種方法計(jì)算誤差均較小，2種方法預(yù)測閥門噪聲具有可靠性，可用于工程中閥門噪聲的初步檢測，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

2)大壓差工況下可采取增大注水艙背壓減小閥門前后壓差的措施抑制閥門噪聲。3種不同壓差工況下，閥門前后壓差越小，閥門流動(dòng)噪聲越低，但壓差減小到一定程度后，空化現(xiàn)象消失，減小壓差對(duì)閥門噪聲的抑制作用減弱。

3)工程實(shí)際中，采用VDMA經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算閥門噪聲一般是基于臺(tái)架試驗(yàn)測量得到的流動(dòng)參數(shù)，本文通過流場數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)流動(dòng)參數(shù)，閥門噪聲計(jì)算結(jié)果誤差較小。采用VDMA經(jīng)驗(yàn)公式與流場數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法預(yù)測閥門噪聲未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，較傳統(tǒng)方法有操作簡單、成本低的優(yōu)勢。

經(jīng)驗(yàn)公式法和聲學(xué)數(shù)值計(jì)算法預(yù)測閥門噪聲都是基于閥門瞬態(tài)流場計(jì)算結(jié)果，流場計(jì)算的精確度對(duì)閥門噪聲預(yù)測的準(zhǔn)確性具有較大影響，后續(xù)研究中可分別采用不同的湍流模型計(jì)算閥門流場，進(jìn)行比較后選擇合適的模型以進(jìn)一步提高2種預(yù)測方法的準(zhǔn)確性。

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Prediction of Flow Noise in Valve of Self-flowing Water Injection System

FANGChao,CAIBiao-hua,MAShi-hu,YUJian

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to predict the noise of the ship’s water injection system, the flow field of the system was calculated by using the CFD technique under the conditions of three kinds of pressure difference. Based on the numerical results of CFD, the valve noise empirical formula and the acoustics numerical method were used to analyze the valve flow noise. The calculated results were compared with the measured results, showing that the two methods had little error, which verified the reliability of the two methods. The two kinds of valve noise prediction methods can be used in engineering practice for the initial detection of valve noise.

valve; flow noise; CFD; acoustic computation

U661.44

A

1671-7953(2017)06-0108-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.025

2016-12-28

2017-03-10

方超(1991—)，男，碩士生

研究方向：艦船振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)