船用三通調節閥流-固耦合噪聲數值模擬

施紅旗 周 旭 周愛民 張博浩 李樹勛

(1 武漢第二船舶設計研究所 武漢 430205)

(2 蘭州理工大學石油化工學院 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，學者們對其技術要求也不斷提高。三通調節閥作為船用閥門中重要的調節元件，是保障系統正常安全運行的關鍵所在，因此準確分析實際工作工況下的噪聲，對三通調節閥乃至整個系統安全運行具有重要意義。

近年來，國內外學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節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致的振動噪聲問題，設計了節流降壓消聲器；文獻[3]以一種小流量調節閥為研究對象，計算了在內部湍流作用下閥門壁面結構振動導致的外部噪聲；文獻[4]用數值模擬與實驗驗證的辦法研究了閥門應力與振動激勵的關系；文獻[5]提出了一種分析流動引起的噪聲問題的仿真技術，該技術結合了計算流體動力學(Computational fluid dynamics,CFD)、邊界元法和氣動聲學時間反轉源定位方法確定了渦旋脫落頻率下氣動聲源的性質；文獻[6] 進行了實驗和模擬，發現產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和振動頻率特性。

以上研究分析了相關聲學理論及兩通閥噪聲數值模擬，但是尚無對于合流型三通閥的噪聲數值模擬方法研究。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，開展船用三通調節閥實際工作工況下80%及60%開度下的噪聲數值模擬研究。

1 三通調節閥噪聲理論分析

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，由于閥門內部零件加工、裝配精度均滿足設計要求，故該閥不會產生機械振動噪聲。三通調節閥介質為淡水，主通與旁通壓力1 MPa 左右，遠高于淡水的飽和蒸氣壓力，故不會產生空化噪聲。綜上可得三通調節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致流體流場劇烈變化從而產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

偶極子聲源產生聲壓的空間部分可表示為

其中：ρ為介質密度；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。

三通調節閥在偶極子聲學激勵下，噪聲產生機理如圖2 所示。圖中AWPF(Acoustic wall pressure fluctuation)指聲學壓力波動；TWPF(Turbulent wall pressure fluctuation)指湍流壓力波動；閥門在工作時，流體介質處于湍流狀態。流體介質向四周傳播，輻射出流動噪聲與閥及閥控管系內壁面聲-固耦合產生振動噪聲。此外，流體介質除了內部湍流產生的噪聲外，還包括流體介質與閥及閥控管系內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節閥噪聲數值模擬研究。流-固耦合技術路線圖如圖3所示。

圖2 三通調節閥噪聲產生機理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 三通調節閥結構模型

建立三通閥的模型結構，三通調節閥的技術要求如表1所示。模型三維視圖如圖4所示。

表1 三通調節閥技術要求Table 1 Technical requirements of threeway regulating valve

圖4 三通調節球閥三維模型Fig.4 Three-dimensional model of three-way regulating ball valve

2.2 三通調節閥分析工況及材料參數

三通調節閥實際工作工況參數和主要材料性能參數分別見表2、表3所示。

表2 三通調節閥實際工作工況參數Table 2 Actual working parameters of three-way regulating valve

表3 三通調節閥閥體材料性能參數Table 3 Material performance parameters of three-way control valve body

3 三通調節閥實際工作工況下80%開度噪聲分析

3.1 基于k-ε 模型三通調節閥80%開度定常流動分析

為實現高精度CFD流場模擬，在保證計算精度的前提下，對三通調節閥的三維模型進行合理簡化。在80%開度下基礎上，閥前與閥后分別增加2 倍與6倍公稱直徑長度的管道，保證流體域充分發展。根據三通閥模型進行反向建模得到流道模型，并根據四面體和六面體各自的網格優勢對流道模型進行網格劃分，同時對閥芯與流體接觸區域的網格局部加密處理。閥芯流道模型網格如圖5所示。

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

以出口壓力為目標進行網格無關性檢驗。劃分網格單元數從1137556 到1835247，計算3 種不同網格的質量流量值。從網格1 到網格2 壓力的變化值為3.7%，從網格2 到網格3 壓力的變化值為0.93%，壓力變化值很小，最終流道全開網格節點數為257536，單元數為1538455。

使用有限元仿真模擬軟件進行流場仿真計算，具體邊界條件數值如表4 所示。采用標準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 三通調節閥實際工作工況80%度工況參數Table 4 Three-way control valve actual working condition 80% opening condition parameter table

三通調節閥80%開度下的內部流動，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，三通調節閥在實際工作工況80%開度下，由于閥芯節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，閥門在閥芯節流處流速最大，約為5.46 m/s。結合圖8速度流線圖可知，閥芯內部節流及流道出口區域速度流線分布混亂，流體介質處于湍流，并在閥芯內部流域有渦流產生。因此，三通調節閥閥芯內部及流道出口區域的湍流渦旋，是三通調節閥產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 三維流線斜二側視圖Fig.8 Three-dimensional streamline oblique twoside view

3.2 三通調節閥80%開度非定常流動計算

在定常流動收斂的基礎上，以三通調節閥實際工作工況下80%開度CFD 定常流動計算結果為初始條件，數值模擬該工況下的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k-ε雙方程為湍流模型，選擇標準壁面函數。邊界條件設置主通壓力進口為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 聲學求解模型，并導出*.CGNS 格式的聲場信息(時域壓力脈動)，作為流-固耦合模擬三通調節閥流致噪聲的聲學激勵。

3.3 三通調節閥流-固耦合噪聲數值模擬方法驗證

綜合流-固耦合三通調節閥噪聲聲學數值模擬方法，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-固耦合聲學數值模擬方法的正確性與精確度，噪聲試驗現場圖如圖9所示，試驗結果表明數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，這也間接驗證了提出的大口徑管線球閥數值模擬內漏噪聲仿真方法的可行性與精確性。由表5 可知，DN250 三通調節閥經實驗測得實測噪聲聲壓級與數值模擬噪聲聲壓級僅相差1.85 dB(A)，偏差為3.5%，符合標準規定的±5 dB(A)精確度要求。此外，數值模擬噪聲聲壓級略小于實測噪聲聲壓級，這是由于數值模擬時并未慮外部環境噪聲。故DN32 三通調節閥數值模擬結果可信。

3.4 三通調節閥實際工作工況下80%開度振動分析

開展三通調節閥的振動分析，將其三維模型導入LMS Virtual.Lab軟件中進行網格劃分。80%開度下三通調節閥的結構網格模型如圖10 所示。以網格映射方式將流場外壁面的壓力脈動信息轉移到殼體內壁面，并將時域壓力脈動信息進行傅里葉變換，轉換后的采樣頻率為20～5000 Hz。

圖10 80%開度下閥門結構網格模型Fig.10 Grid model of valve structure at 80%opening

由圖11 可知，80%開度下三通調節閥X、Y、Z三向振動峰值頻率均出現在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%開度下三通調節閥及閥控管系內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，在閥芯節流以及閥后管道部位由于流體介質的湍流作用壓力脈動幅值較大，這也與CFD定常流動分析結果相吻合。

圖11 三通調節閥振動監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

分析結果取振動加速度(m/s2)。取如圖13 所示三通調節閥及閥控管系振動模型中黃色圓點為振動監測點，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部。求解得到振動監測點的X、Y、Z三向頻域振動加速度(m/s2)。圖14 為三通調節閥80%開度下三向振動峰值頻率的振動加速度(m/s2)云圖。80%開度下三通調節閥的振動加速度云圖取峰值頻率4560 Hz。由圖14 可知，80%開度下三通調節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，流體介質流經三通調節閥-閥芯節流部位時，產生的流致振動對節流部位附近的零件及閥后管道影響較大，產生了較大的振動加速度。閥門振動監測點的編號為22779，監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 三通調節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 三通調節閥實際工作工況下80%開度噪聲分析

建立閥-閥控管系的聲場模型，并對其進行網格劃分。80%開度下三通調節閥噪聲聲學分析模型如圖15所示，80%開度下三通調節閥噪聲分析模型主要包括平面場網格1、平面場網格2、80%開度三通調節閥聲學網格、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 處點作為聲壓監測點。采用6 個聲壓監測點求算術平均值的方法獲取三通調節閥流致噪聲。

圖15 三通調節閥80%開度下噪聲聲學分析模型圖Fig.15 Acoustic analysis model of noise at 80%opening of three-way control valve

將振動數據轉移到三通調節閥聲學網格上作為聲學邊界條件，基于Lighthill 聲類比理論，以Helmholtz 聲學波動方程計算三通調節閥的流致噪聲。對三通調節閥80%開度下流致噪聲進行流-固耦合數值模擬。

圖16為三通調節閥80%開度下閥-閥控管系在不同頻率下的聲壓(dB)分布圖。80%開度下三通調節閥聲壓監測點在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，三通調節閥產生的流致噪聲經過閥-閥控管系輻射到聲場網格上，聲壓(dB)在聲場網格水平面的分布呈現出前后基本對稱的趨勢，而在豎直面呈現出軸對稱的趨勢；輻射到聲場網格的聲壓主要集中在閥體節流處與閥門下游管道出口處。

圖16 三通調節閥-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

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

圖17 80%開度下三通調節閥不同監測點的聲壓頻譜圖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%開度下三通閥調節閥的噪聲成分在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。根據式(3)編寫聲壓級疊加程序，分別對80%開度下三通調節閥不同聲壓監測點的聲壓值進行疊加，得到各個監測點在20～5000 Hz 頻率范圍內的總噪聲聲壓級，詳見表6。

表6 80%開度下三通調節閥各個監測點處聲壓級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。

由表6 可知，三通調節閥80%開度下不同聲壓監測點的聲壓級差別較小，聲壓級相差不超過2 dB(A)，取6 個聲壓監測點聲壓級的算術平均值為三通調節閥80%開度下噪聲聲壓級。三通調節閥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)的規定，故PN10DN32 三通調節閥在實際工作工況下80%開度的噪聲滿足要求。

圖18 為80%開度下三通調節閥及閥控管系在1700 Hz、3060 Hz、3780 Hz 頻率下的聲指向性曲線圖。如圖18 所示，在三通調節閥外部設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，監測點間隔10°，共由36 個監測點組成。將聲指向性曲線的聲壓值轉化極坐標。圖18(a)Line1 指向性曲線反映了三通調節閥在XOZ平面的噪聲指向性。由圖18(a)可以看出，1700 Hz與3780 Hz下三通調節閥噪聲聲壓級在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節閥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，三通調節閥在閥后管道，即0°方向噪聲聲壓值大于其他方位聲壓值。

圖18 三通調節閥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 三通調節閥實際工作工況下60%開度噪聲分析

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

表7 60%開度下三通調節閥各個監測點處聲壓級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%開度下三通閥調節閥的噪聲成分在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 三通調節閥不同監測點的聲壓頻譜圖Fig.19 The sound pressure spectrum of different monitoring points of three-way control valve

圖20 為60%開度下三通調節閥及閥控管系在1700 Hz、3540 Hz 和4100 Hz 頻率下的聲指向性曲線圖。在60%開度三通調節閥外部設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，監測點間隔10°，共由36 個監測點組成。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 下三通調節閥噪聲在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 下三通調節閥在XOY平面345°方向噪聲聲壓級較大，3540 Hz 下三通調節閥在150°方向噪聲聲壓值大于其他方向。

圖20 三通調節閥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 結論

根據以上對PN10DN32 三通調節閥在實際工作工況下80%及60%開度的流-固耦合噪聲數值模擬分析，可得出如下結論：

(1) 采用流-固耦合數值模擬方法，求得三通調節閥實際工作工況下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 下三通調節閥噪聲聲壓級在XOZ平面圓周方向分布均勻，且0°與170°方向噪聲聲壓值較??；在XOY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 下三通調節閥噪聲在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 下三通調節閥在XOY平面345°方向噪聲聲壓級較大，3540 Hz 下三通調節閥在150°方向噪聲聲壓值大于其他方向。

(3) 三通調節閥噪聲實驗驗證證明數值模擬分析方法結果可行性與精確度較高，對今后三通調節閥聲學特性研究具有指導意義。