鄭忠良，陳修高，譚術(shù)洋，張希恒，賈建波

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部，北京 100841；2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

調(diào)節(jié)閥被廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域，其主要作用是不斷通過(guò)調(diào)節(jié)開度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)流量、壓力的控制，在某些特定工況下由于壓力的急劇減小，很容易使閥門內(nèi)某些位置的壓力小于液體的飽和蒸氣壓而產(chǎn)生空化現(xiàn)象?？栈ǔ?huì)造成閥體材料的剝蝕、振動(dòng)、噪聲，甚至使閥門失效，縮短閥門使用壽命，所以如何準(zhǔn)確有效地檢測(cè)閥門的空化程度，是目前閥門安全檢測(cè)的主要任務(wù)之一。隨著近年來(lái)聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用空化噪聲信號(hào)對(duì)空化狀態(tài)程度判別已經(jīng)成為空化檢測(cè)的一種手段[1]，所以對(duì)調(diào)節(jié)閥空化噪聲進(jìn)行分析預(yù)測(cè)是非常有必要的。

目前，研究者們已經(jīng)對(duì)空化噪聲進(jìn)行了大量的研究。王勇等[2-4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了離心泵不同空化狀態(tài)下噪聲特性的變化規(guī)律；周云龍等[5]利用流聲耦合法對(duì)離心泵的空化噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；文獻(xiàn)[6-10]對(duì)螺旋槳的空化噪聲進(jìn)行了研究，并初步實(shí)現(xiàn)了利用聲學(xué)方法判定空化狀態(tài)；文獻(xiàn)[11-12]利用數(shù)值模擬的方法研究了水翼的空化噪聲，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證且結(jié)果誤差較小。在閥門空化噪聲方面，Xin Fu等[13]研究了滑閥的空化噪聲，指出空化噪聲可以用作判定空化過(guò)程的良好標(biāo)志；A. Osterman等[14]利用實(shí)驗(yàn)研究了液壓提升閥中的空化噪聲信號(hào)，并通過(guò)聲信號(hào)確定空化和無(wú)空化狀態(tài)。而對(duì)于利用數(shù)值分析方法研究閥門空化噪聲卻很少，陸亮[15]用理論和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)節(jié)流閥空化流動(dòng)及其噪聲進(jìn)行了研究；楊國(guó)來(lái)等[16]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)研究了調(diào)節(jié)閥內(nèi)的空化位置，使用理論計(jì)算的方法研究了空化噪聲的影響因素。實(shí)驗(yàn)方法有成本高、周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)少的缺點(diǎn)[17]，并不能普遍適用各種閥門，而單純使用CFD方法研究噪聲的準(zhǔn)確度不高[18]，理論方法也僅能計(jì)算某點(diǎn)上的噪聲，不能研究整個(gè)輻射聲場(chǎng)的特征。

本文利用CFD軟件和LMS Virtual lab基于流聲耦合方法對(duì)調(diào)節(jié)閥空化噪聲進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)，目的是為通過(guò)聲學(xué)信號(hào)定量檢測(cè)調(diào)節(jié)閥空化程度提供幫助，同時(shí)也為工業(yè)閥門空化噪聲預(yù)測(cè)研究提供一種新方法，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要意義。

1 流場(chǎng)計(jì)算

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以典型軸流式調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，使用SolidWorks2016建立三維管閥系統(tǒng)模型，并對(duì)模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，管閥系統(tǒng)如圖1所示。然后在ANSYS Workbench 提供的DM(Design Modeler)模塊中反向建模，抽取閥內(nèi)部流體流動(dòng)區(qū)域，進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，流道如圖2所示。

圖1 三維管閥系統(tǒng)模型

圖2 調(diào)節(jié)閥的流道及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD對(duì)調(diào)節(jié)閥流道區(qū)域劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格采用六面體與四面體混合的網(wǎng)格劃分技術(shù)，并對(duì)閥門內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，使y+≤30，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。圖3為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格，計(jì)算并比較閥門出口的平均質(zhì)量流量。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至5.12×105以上后，閥門出口的平均質(zhì)量流量基本保持穩(wěn)定，所以網(wǎng)格數(shù)量選用5.12×105。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 Navier-Stokes方程

在對(duì)穩(wěn)態(tài)空化流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，以求解Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，方程如下:

(1)

1.2.2 空化模型

空化模型使用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，它更能體現(xiàn)出空化核數(shù)量對(duì)空化行為的影響[19]，以及計(jì)算結(jié)果更加接近于實(shí)際值[4,20-21]。其控制方程如下：

當(dāng)Pv≥P時(shí)，

(2)

當(dāng)Pv

(3)

式中:Pv為飽和蒸汽壓；αnuc為空化汽相成核處體積分?jǐn)?shù)；αv為蒸汽相體積分?jǐn)?shù)；Re為蒸發(fā)相生成率；RB為空泡半徑；Rc為凝結(jié)相生成率；Fvap為汽化校正系數(shù)；Fcond為凝結(jié)校正系數(shù)。

1.3 計(jì)算方法與邊界條件

由于本文采用的是流聲耦合法，需要通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算得到激勵(lì)信息，再利用得到的流場(chǎng)激勵(lì)信息進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算中使用Mixture混合模型和RNGk-ε湍流模型，壓力項(xiàng)、密度、動(dòng)量、湍動(dòng)能的離散采用二階迎風(fēng)格式[22]。瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為初值，使用LES大渦模擬，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為5×10-5s，采樣頻率為20 kHz，根據(jù)采樣定律，最大分析頻率可達(dá)到10 kHz。

1.4 計(jì)算結(jié)果與分析

分別選取調(diào)節(jié)閥的空化和無(wú)空化工況，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，圖4為調(diào)節(jié)閥中間面節(jié)流處流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

圖4 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果圖

圖4(a)和(b)分別為有空化和無(wú)空化工況下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖4(a)可以得到空化區(qū)域主要發(fā)生在閥門節(jié)流入口處，而在接下來(lái)的流道拐角處汽相區(qū)域達(dá)到最大。圖4(c)為閥門空化工況節(jié)流處壓力云圖。由于在截流入口處流通面積突然減小，流體流動(dòng)速度急劇增大，同時(shí)流體流動(dòng)的方向發(fā)生改變而產(chǎn)生邊界層分離，在這個(gè)部位出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，使得調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體通過(guò)此處時(shí)低于液體飽和蒸氣壓而產(chǎn)生空化。而在無(wú)空化工況時(shí)，如圖4(d)所示，節(jié)流處的壓力明顯高于液體飽和蒸氣壓，不會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

2 聲場(chǎng)計(jì)算

2.1 聲類比理論方程

在完成瞬態(tài)聲源信息提取計(jì)算后，需要將流場(chǎng)和聲場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)，利用聲類比理論通過(guò)流場(chǎng)聲源信息計(jì)算流致噪聲，其方程如下：

(4)

2.2 聲場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格模型

聲場(chǎng)計(jì)算使用邊界元法，聲學(xué)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖5所示，結(jié)構(gòu)與聲學(xué)網(wǎng)格為四面體類型，聲學(xué)網(wǎng)格即為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的外壁面。在劃分聲學(xué)網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格大小要一致。

圖5 聲學(xué)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

為了計(jì)算調(diào)節(jié)閥外部輻射聲場(chǎng)，還需要設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格[23]。場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置結(jié)果如圖6所示，場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格為兩個(gè)互相垂直的平面[24]，網(wǎng)格類型為正方形。

圖6 場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格與監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)《IEC 60534-8-2-2015 工業(yè)過(guò)程控制閥，第8-2部分噪聲的考慮：通過(guò)控制閥的流體產(chǎn)生的噪聲的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量》中關(guān)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的規(guī)定，設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D，如圖6所示，與閥門出口距離為1 m，且與管道壁面距離為1 m。

2.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算與結(jié)果分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)材料和約束的綜合結(jié)果反映[25]，計(jì)算調(diào)節(jié)閥外部輻射聲場(chǎng)要利用流場(chǎng)信息激勵(lì)管閥系統(tǒng)內(nèi)壁，通過(guò)管閥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和約束最后得到外部噪聲，所以需要先計(jì)算管閥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)。設(shè)置管閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料屬性：楊氏模量為1.75×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際使用工況，對(duì)調(diào)節(jié)閥的管閥系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工況條件添加約束，進(jìn)口管段1固定，出口管段2簡(jiǎn)支，如圖5所示。

表1為調(diào)節(jié)閥管閥系統(tǒng)的前四階固有頻率，其中一階固有振動(dòng)頻率為41.52 Hz。圖7為調(diào)節(jié)閥管閥系統(tǒng)的前四階模態(tài)振型圖，由模態(tài)振型圖可知一、二階模態(tài)振型主要表現(xiàn)為閥門流道方向振動(dòng)，三階模態(tài)振型主要表現(xiàn)為閥門沿垂直于流道方向振動(dòng)，四階模態(tài)振型主要表現(xiàn)為管閥擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)組合。

表1 前四階管閥系統(tǒng)固有頻率

圖7 管閥系統(tǒng)的四階模態(tài)振型圖

2.4 聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算與結(jié)果分析

外部輻射聲場(chǎng)流體域?yàn)榭諝?，將聲學(xué)網(wǎng)格的流體材料設(shè)置為空氣，密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s。將流場(chǎng)激勵(lì)信息通過(guò)快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast Fourier Transformation)轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，并將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域，最后進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算，得到外部聲場(chǎng)分布特征以及聲壓級(jí)頻率響應(yīng)函數(shù)。

圖8為有空化工況4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果雖然在具體數(shù)值上有點(diǎn)差異，但整體趨勢(shì)基本一致，這也符合標(biāo)準(zhǔn)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的基本原理。從圖中可以得出聲壓級(jí)在低頻60、160和260 Hz時(shí)具有3個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，在中頻820和1700 Hz時(shí)有兩個(gè)峰值點(diǎn)，這些峰值點(diǎn)是調(diào)節(jié)閥空化噪聲的主要組成部分。

圖8 聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線

圖9是調(diào)節(jié)閥管閥系統(tǒng)在不同峰值點(diǎn)頻率下的聲壓級(jí)分布云圖。從圖中可得，聲壓級(jí)是沿調(diào)節(jié)閥管閥系統(tǒng)呈現(xiàn)對(duì)稱分布的，此現(xiàn)象符合噪聲輻射實(shí)際規(guī)律。計(jì)算4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的總聲壓級(jí)，如表2所示，總聲壓級(jí)在89.39 dB上下范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖9 聲壓級(jí)分布云圖 表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處總聲壓級(jí)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)ABCD總聲壓級(jí)/dB88.7889.7389.9289.13

圖10為監(jiān)測(cè)點(diǎn)A空化和無(wú)空化工況的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線。由圖可以看出，空化工況的噪聲峰值點(diǎn)明顯多于無(wú)空化工況，在20～200 Hz范圍內(nèi)，兩者的變化略有差異，但整體趨勢(shì)基本一致，峰值點(diǎn)的頻率相同，噪聲數(shù)值上也相差不大。當(dāng)頻率大于200 Hz后，空化工況時(shí)出現(xiàn)的峰值點(diǎn)較多，而無(wú)空化工況曲線整體變化趨勢(shì)較穩(wěn)定?？紤]到空化過(guò)程中伴隨著氣泡的產(chǎn)生與潰滅，在空化過(guò)程中氣泡潰滅會(huì)釋放能量，產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，這是產(chǎn)生峰值的一個(gè)重要原因。由此可見(jiàn)，多峰值點(diǎn)是空化工況的一個(gè)典型特征，且峰值點(diǎn)頻率較為固定。

圖10 有空化和無(wú)空化工況聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線

2.5 理論預(yù)測(cè)方法與結(jié)果

根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)《IEC60534-8-4-2015工業(yè)過(guò)程控制閥，第8-4部分噪聲的考慮：液體動(dòng)力流產(chǎn)生噪聲的預(yù)測(cè)》中關(guān)于調(diào)節(jié)閥內(nèi)有空化流的噪聲計(jì)算方法如下[26]。

空化流狀態(tài)下頻率為fi的內(nèi)部聲壓級(jí)為

(5)

頻率為fi時(shí)的傳播損失為

TL(fi)=TLfr+ΔTL(fi)

(6)

頻率為fi時(shí)外部1 m處的聲壓級(jí)為

(7)

外部1 m處總聲壓級(jí)為

(8)

式中：Lpi(fi)為fi頻率下的內(nèi)部聲壓級(jí)；Lpi為內(nèi)部聲壓級(jí)；ηturb和ηcav分別是紊流和空化流狀態(tài)下的聲效系數(shù)；Fturb(fi)和Fcav(fi)分別為紊流和空化流狀態(tài)下頻率分布函數(shù)；TLfr為環(huán)形頻率最小傳播損失；ΔTL(fi)為修正fi的傳播損失；Di和ts分別為下游管道內(nèi)徑和管道壁厚；ΔLA(fi)為“A”權(quán)重因子。

利用以上理論預(yù)測(cè)方法，計(jì)算距離閥門出口為1 m，且距離管道壁面為1 m處有空化流和無(wú)空化流的總聲壓級(jí)，如表3所示。圖11為理論預(yù)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。

表3 理論計(jì)算總聲壓級(jí)

圖11 理論預(yù)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

計(jì)算通過(guò)理論預(yù)測(cè)得到的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差，空化工況下為7.1%，無(wú)空化工況下為4.6%，證明了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確可行性。從圖11中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于理論預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果。由于在數(shù)值計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，對(duì)結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)約束的定義不完備，造成數(shù)值計(jì)算具體結(jié)果與實(shí)際情況存在誤差，后期可以通過(guò)具體化模型、細(xì)致化定義減小誤差。

3 結(jié)論

1)本文介紹了基于流聲耦合的閥門空化噪聲數(shù)值計(jì)算方法的具體流程，并運(yùn)用此方法計(jì)算了一種軸流式調(diào)節(jié)閥空化和無(wú)空化工況時(shí)的噪聲，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果中監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頻譜特征和聲壓級(jí)分布云圖的分析，結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律。

2)當(dāng)頻率大于200 Hz時(shí)，空化工況的峰值點(diǎn)較多且頻率較為固定，主要出現(xiàn)在低頻260 Hz、中頻820和1 700 Hz附近。而無(wú)空化工況時(shí)響應(yīng)曲線較為平穩(wěn)，可用無(wú)空化工況時(shí)的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)為基準(zhǔn)，通過(guò)聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)特定頻率下峰值聲壓級(jí)，來(lái)判斷閥門是否產(chǎn)生空化。

3)將數(shù)值計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處總聲壓級(jí)與理論預(yù)測(cè)計(jì)算得到的總聲壓級(jí)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩者之間相對(duì)誤差較小，證明了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確可行性。