船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

施红旗 周 旭 周爱民 张博浩 李树勋

(1 武汉第二船舶设计研究所 武汉 430205)

(2 兰州理工大学石油化工学院 兰州 730050)

0 引言

随着我国对船舶总体性能要求的提升，船用阀门作为船舶使用装备中重要的压力元件，学者们对其技术要求也不断提高。三通调节阀作为船用阀门中重要的调节元件，是保障系统正常安全运行的关键所在，因此准确分析实际工作工况下的噪声，对三通调节阀乃至整个系统安全运行具有重要意义。

近年来，国内外学者对阀门噪声进行了较多研究。文献[1–2]做了超临界多级套筒调节阀空化抑制模拟研究，另外针对蒸汽疏水阀在高温高压工况的过热蒸汽导致的振动噪声问题，设计了节流降压消声器；文献[3]以一种小流量调节阀为研究对象，计算了在内部湍流作用下阀门壁面结构振动导致的外部噪声；文献[4]用数值模拟与实验验证的办法研究了阀门应力与振动激励的关系；文献[5]提出了一种分析流动引起的噪声问题的仿真技术，该技术结合了计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)、边界元法和气动声学时间反转源定位方法确定了涡旋脱落频率下气动声源的性质；文献[6] 进行了实验和模拟，发现产生的噪声并不取决于流入速度条件，而是取决于管道的声学和振动频率特性。

以上研究分析了相关声学理论及两通阀噪声数值模拟，但是尚无对于合流型三通阀的噪声数值模拟方法研究。为此，基于流-固耦合理论，同时考虑流-固耦合面及流体域脉动声源，开展船用三通调节阀实际工作工况下80%及60%开度下的噪声数值模拟研究。

1 三通调节阀噪声理论分析

机械振动噪声、流体动力噪声、流体空化噪声是阀门振动噪声的主要来源，由于阀门内部零件加工、装配精度均满足设计要求，故该阀不会产生机械振动噪声。三通调节阀介质为淡水，主通与旁通压力1 MPa 左右，远高于淡水的饱和蒸气压力，故不会产生空化噪声。综上可得三通调节阀研究过程中主要考虑流体动力噪声。流体动力噪声指由流体中物体的阻碍作用导致流体流场剧烈变化从而产生辐射的噪声称之为流体动力噪声。噪声声源体为流-固耦合作用的偶极子。

偶极子声源是指两个距离很近、相位相反，并以相同幅值振动的单极子声源构成。模型图如图1所示。

图1 偶极子声源模型图Fig.1 Dipole sound source model diagram

偶极子声源产生声压的空间部分可表示为

其中：ρ为介质密度；c为声波传播速度；θ为相位角；r为声源半径。

式(2)中：kr为方便计算引入的相位角。

三通调节阀在偶极子声学激励下，噪声产生机理如图2 所示。图中AWPF(Acoustic wall pressure fluctuation)指声学压力波动；TWPF(Turbulent wall pressure fluctuation)指湍流压力波动；阀门在工作时，流体介质处于湍流状态。流体介质向四周传播，辐射出流动噪声与阀及阀控管系内壁面声-固耦合产生振动噪声。此外，流体介质除了内部湍流产生的噪声外，还包括流体介质与阀及阀控管系内壁面的振动辐射噪声。综合考虑以上两种声源，采用流-固耦合理论开展三通调节阀噪声数值模拟研究。流-固耦合技术路线图如图3所示。

图2 三通调节阀噪声产生机理Fig.2 Noise generation mechanism of three-way regulating valve

图3 流-固耦合方法路线图Fig.3 Fluid-solid coupling method roadmap

2 分析模型

2.1 三通调节阀结构模型

建立三通阀的模型结构，三通调节阀的技术要求如表1所示。模型三维视图如图4所示。

表1 三通调节阀技术要求Table 1 Technical requirements of threeway regulating valve

图4 三通调节球阀三维模型Fig.4 Three-dimensional model of three-way regulating ball valve

2.2 三通调节阀分析工况及材料参数

三通调节阀实际工作工况参数和主要材料性能参数分别见表2、表3所示。

表2 三通调节阀实际工作工况参数Table 2 Actual working parameters of three-way regulating valve

表3 三通调节阀阀体材料性能参数Table 3 Material performance parameters of three-way control valve body

3 三通调节阀实际工作工况下80%开度噪声分析

3.1 基于k-ε 模型三通调节阀80%开度定常流动分析

为实现高精度CFD流场模拟，在保证计算精度的前提下，对三通调节阀的三维模型进行合理简化。在80%开度下基础上，阀前与阀后分别增加2 倍与6倍公称直径长度的管道，保证流体域充分发展。根据三通阀模型进行反向建模得到流道模型，并根据四面体和六面体各自的网格优势对流道模型进行网格划分，同时对阀芯与流体接触区域的网格局部加密处理。阀芯流道模型网格如图5所示。

图5 阀芯流道模型网格剖视图Fig.5 Grid profile of valve core flow channel model

以出口压力为目标进行网格无关性检验。划分网格单元数从1137556 到1835247，计算3 种不同网格的质量流量值。从网格1 到网格2 压力的变化值为3.7%，从网格2 到网格3 压力的变化值为0.93%，压力变化值很小，最终流道全开网格节点数为257536，单元数为1538455。

使用有限元仿真模拟软件进行流场仿真计算，具体边界条件数值如表4 所示。采用标准k-ε双方程湍流模型，对湍流方程的离散格式采用high resolution格式。

表4 三通调节阀实际工作工况80%度工况参数Table 4 Three-way control valve actual working condition 80% opening condition parameter table

三通调节阀80%开度下的内部流动，其压力、速度云图分别选取ZX截面云图，三维流线云图选取斜二测云图，具体如图6、图7、图8 所示。由图6 可知，三通调节阀在实际工作工况80%开度下，由于阀芯节流作用压力波动较大，局部压降达到0.02 MPa，阀后压力分布均匀。由图7可知，阀门在阀芯节流处流速最大，约为5.46 m/s。结合图8速度流线图可知，阀芯内部节流及流道出口区域速度流线分布混乱，流体介质处于湍流，并在阀芯内部流域有涡流产生。因此，三通调节阀阀芯内部及流道出口区域的湍流涡旋，是三通调节阀产生流致噪声的主要来源。

图6 ZX 截面压力分布图Fig.6 Pressure distribution map of ZX section

图7 ZX 截面流速分布图Fig.7 Velocity distribution of ZX section

图8 三维流线斜二侧视图Fig.8 Three-dimensional streamline oblique twoside view

3.2 三通调节阀80%开度非定常流动计算

在定常流动收敛的基础上，以三通调节阀实际工作工况下80%开度CFD 定常流动计算结果为初始条件，数值模拟该工况下的CFD 非定常流动。选择时均N-S 方程为流体流动基本控制方程，采用可实现k-ε双方程为湍流模型，选择标准壁面函数。边界条件设置主通压力进口为0.58 MPa 和流量出口为0.3961 kg/s，旁通压力进口为0.565 MPa和流量出口为0.6393 kg/s，壁面采用无滑移壁面。迭代收敛控制方程采用均方根(Root mean square,RMS)方法，精度设置为10×10-6，参考压力为大气压0.1 MPa。非定常流动模拟时，时间间隔取1×10-3s。选择Acoustic 声学求解模型，并导出*.CGNS 格式的声场信息(时域压力脉动)，作为流-固耦合模拟三通调节阀流致噪声的声学激励。

3.3 三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟方法验证

综合流-固耦合三通调节阀噪声声学数值模拟方法，及文献[7]中通过50A47H-16C 型微启式弹簧载荷安全阀噪声试验验证了流-固耦合声学数值模拟方法的正确性与精确度，噪声试验现场图如图9所示，试验结果表明数值模拟噪声声压级与试验实测噪声声压级的偏差在2%以内，这也间接验证了提出的大口径管线球阀数值模拟内漏噪声仿真方法的可行性与精确性。由表5 可知，DN250 三通调节阀经实验测得实测噪声声压级与数值模拟噪声声压级仅相差1.85 dB(A)，偏差为3.5%，符合标准规定的±5 dB(A)精确度要求。此外，数值模拟噪声声压级略小于实测噪声声压级，这是由于数值模拟时并未虑外部环境噪声。故DN32 三通调节阀数值模拟结果可信。

3.4 三通调节阀实际工作工况下80%开度振动分析

开展三通调节阀的振动分析，将其三维模型导入LMS Virtual.Lab软件中进行网格划分。80%开度下三通调节阀的结构网格模型如图10 所示。以网格映射方式将流场外壁面的压力脉动信息转移到壳体内壁面，并将时域压力脉动信息进行傅里叶变换，转换后的采样频率为20∼5000 Hz。

图10 80%开度下阀门结构网格模型Fig.10 Grid model of valve structure at 80%opening

由图11 可知，80%开度下三通调节阀X、Y、Z三向振动峰值频率均出现在4560 Hz，其中X、Y、Z三向振动峰值频率重合。振动幅值大会产生较大的振动噪声。将三向振动峰值频率下的压力幅值(dB)云图列出。80%开度下三通调节阀及阀控管系内壁面峰值频率处的压力脉动幅值(dB)云图如图12示。峰值频率下的阀-阀控管系内壁面压力幅值分布呈阶梯状，主通及旁通进口管道压力脉动幅值较小，在阀芯节流以及阀后管道部位由于流体介质的湍流作用压力脉动幅值较大，这也与CFD定常流动分析结果相吻合。

图11 三通调节阀振动监测点频域加速度曲线图Fig.11 Frequency-domain acceleration curve of vibration monitoring point of three-way control valve

图12 80%开度下阀-阀控管道内壁面压力幅值云图Fig.12 Pressure amplitude nephogram of inner wall of valve -valve control pipeline at 80 % opening

分析结果取振动加速度(m/s2)。取如图13 所示三通调节阀及阀控管系振动模型中黄色圆点为振动监测点，再使用LMS 软件对流致振动进行定量分析，流致振动信息的耦合面位置是流体和固体接触的固体壁面内部。求解得到振动监测点的X、Y、Z三向频域振动加速度(m/s2)。图14 为三通调节阀80%开度下三向振动峰值频率的振动加速度(m/s2)云图。80%开度下三通调节阀的振动加速度云图取峰值频率4560 Hz。由图14 可知，80%开度下三通调节阀在阀后管道及阀前法兰处的部分振动加速度较大，在阀体底部和阀前管道处振动较弱。表明阀门在工作工况时，流体介质流经三通调节阀-阀芯节流部位时，产生的流致振动对节流部位附近的零件及阀后管道影响较大，产生了较大的振动加速度。阀门振动监测点的编号为22779，监测点的频域振动加速度幅值如图11所示。由图14可知，X、Y、Z三向振动加速度均在4560 Hz 处达到峰值，三向振动加速度幅值分别为0.079 m/s2、0.009 m/s2、0.057 m/s2。

图13 三通调节阀及阀控管系三维振动模型Fig.13 Three-dimensional vibration model of three-way regulating valve and valve control piping system

图14 80%开度下峰值频率振动加速度云图Fig.14 Nephogram of peak frequency vibration acceleration at 80% opening

3.5 三通调节阀实际工作工况下80%开度噪声分析

建立阀-阀控管系的声场模型，并对其进行网格划分。80%开度下三通调节阀噪声声学分析模型如图15所示，80%开度下三通调节阀噪声分析模型主要包括平面场网格1、平面场网格2、80%开度三通调节阀声学网格、声指向性曲线Line1、声指向性曲线Line2 以及6 个声压检测点组成。取距离管壁外1 m 处点作为声压监测点。采用6 个声压监测点求算术平均值的方法获取三通调节阀流致噪声。

图15 三通调节阀80%开度下噪声声学分析模型图Fig.15 Acoustic analysis model of noise at 80%opening of three-way control valve

将振动数据转移到三通调节阀声学网格上作为声学边界条件，基于Lighthill 声类比理论，以Helmholtz 声学波动方程计算三通调节阀的流致噪声。对三通调节阀80%开度下流致噪声进行流-固耦合数值模拟。

图16为三通调节阀80%开度下阀-阀控管系在不同频率下的声压(dB)分布图。80%开度下三通调节阀声压监测点在1700 Hz、3060 Hz 和3780 Hz频率的声压幅值较高，是噪声来源的主要成分。由图16 可知，三通调节阀产生的流致噪声经过阀-阀控管系辐射到声场网格上，声压(dB)在声场网格水平面的分布呈现出前后基本对称的趋势，而在竖直面呈现出轴对称的趋势；辐射到声场网格的声压主要集中在阀体节流处与阀门下游管道出口处。

图16 三通调节阀-阀阀控管系不同频率下声压分布图Fig.16 Sound pressure distribution of valve-valve control system at different frequencies of three-way control valve

声学分析模型中6 个声压监测点的编号分别为937、41034、28489、942、27305、40603。分别对噪声监测点不同频率下的声压级进行A 计权，得到20∼5000 Hz 下声压频谱图，80%开度下三通调节阀不同监测点的声压频谱图如图17所示。

图17 80%开度下三通调节阀不同监测点的声压频谱图Fig.17 The sound pressure spectrum of different monitoring points of three-way control valve at 80% opening degree

由图17可知，各个监测点的声压频谱曲线图不完全一致，但总体声压级分布趋势一致。80%开度下三通阀调节阀的噪声成分在1000 Hz 以下声压级较小，在1700 Hz、3060 Hz、3780 Hz 频率下噪声声压级较大。根据式(3)编写声压级叠加程序，分别对80%开度下三通调节阀不同声压监测点的声压值进行叠加，得到各个监测点在20∼5000 Hz 频率范围内的总噪声声压级，详见表6。

表6 80%开度下三通调节阀各个监测点处声压级Table 6 Sound pressure level at each monitoring point of three-way control valve under 80% opening

声压级叠加计算公式为

式(3)中：ni为第i个采样频率点的声压；N为频率采样数。

由表6 可知，三通调节阀80%开度下不同声压监测点的声压级差别较小，声压级相差不超过2 dB(A)，取6 个声压监测点声压级的算术平均值为三通调节阀80%开度下噪声声压级。三通调节阀80%开度下噪声声压级为49.10 dB(A)，满足要求的噪声低于60 dB(A)的规定，故PN10DN32 三通调节阀在实际工作工况下80%开度的噪声满足要求。

图18 为80%开度下三通调节阀及阀控管系在1700 Hz、3060 Hz、3780 Hz 频率下的声指向性曲线图。如图18 所示，在三通调节阀外部设置两条圆周型声指向性曲线，分别命名Line1 和Line2。声指向性曲线按圆周方向360°分布，监测点间隔10°，共由36 个监测点组成。将声指向性曲线的声压值转化极坐标。图18(a)Line1 指向性曲线反映了三通调节阀在XOZ平面的噪声指向性。由图18(a)可以看出，1700 Hz与3780 Hz下三通调节阀噪声声压级在XOZ平面圆周方向分布均匀；在3060 Hz 下，阀门主通管道方向与阀门管道方向，即0°与170°方向噪声声压值较小。图18(b)Line2指向性曲线反映了三通调节阀XOY平面的噪声指向性。由图18(b)可以看出，1700 Hz 与3060 Hz 下声指向性分布均匀；在3780 Hz下，三通调节阀在阀后管道，即0°方向噪声声压值大于其他方位声压值。

图18 三通调节阀80%开度下声指向性曲线图Fig.18 Acoustic directivity curve of three-way control valve with 80% opening

4 三通调节阀实际工作工况下60%开度噪声分析

采用与80%开度相同的数值模拟方法，分析三通阀60%开度声学特性。得到各个监测点在20∼5000 Hz 频率范围内的总噪声声压级，详见表7。由表7 可知，三通调节阀在实际工作工况下60%开度的噪声同样满足要求。

表7 60%开度下三通调节阀各个监测点处声压级Table 7 Sound pressure level at each monitoring point of three-way control valve under 60% opening

声压频谱图如图19所示。由图19可知，各个监测点的声压频谱曲线图不完全一致，但总体声压级分布趋势一致。60%开度下三通阀调节阀的噪声成分在500 Hz以下声压级较小，在1700 Hz、3540 Hz、4100 Hz频率下声压级较大。

图19 三通调节阀不同监测点的声压频谱图Fig.19 The sound pressure spectrum of different monitoring points of three-way control valve

图20 为60%开度下三通调节阀及阀控管系在1700 Hz、3540 Hz 和4100 Hz 频率下的声指向性曲线图。在60%开度三通调节阀外部设置两条圆周型声指向性曲线，分别命名Line3 和Line4。声指向性曲线按圆周方向360°分布，监测点间隔10°，共由36 个监测点组成。图20(a)Line3 指向性曲线反映了XOZ平面的噪声指向性。由图20(a)可以看出，1700 Hz、3540 Hz 以及4100 Hz 下三通调节阀噪声在XOZ平面120°方向附近噪声声压级较小，其余方向声压级分布较为均匀。图20(b) Line4 指向性曲线反映了XOY平面的噪声指向性。由图20(b)可以看出，1700 Hz 下三通调节阀在XOY平面345°方向噪声声压级较大，3540 Hz 下三通调节阀在150°方向噪声声压值大于其他方向。

图20 三通调节阀60%开度下声指向性曲线图Fig.20 Acoustic directivity curve of three-way control valve with 60% opening

5 结论

根据以上对PN10DN32 三通调节阀在实际工作工况下80%及60%开度的流-固耦合噪声数值模拟分析，可得出如下结论：

(1) 采用流-固耦合数值模拟方法，求得三通调节阀实际工作工况下80%与60%开度的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A)。噪声声压级均小于60 dB(A)的噪声限制。

(2) 由两个方向上的声指向性曲线分析可得：80%开度下，在XOZ平面，1700 Hz 与3780 Hz 下三通调节阀噪声声压级在XOZ平面圆周方向分布均匀，且0°与170°方向噪声声压值较小；在XOY平面，1700 Hz 与3060 Hz 下声指向性分布均匀，且0°方向噪声声压值大于其他方位声压值。60%开度下，1700 Hz、3540 Hz 以及4100 Hz 下三通调节阀噪声在XOZ平面120°方向附近噪声声压级较小，其余方向声压级分布较为均匀；1700 Hz 下三通调节阀在XOY平面345°方向噪声声压级较大，3540 Hz 下三通调节阀在150°方向噪声声压值大于其他方向。

(3) 三通调节阀噪声实验验证证明数值模拟分析方法结果可行性与精确度较高，对今后三通调节阀声学特性研究具有指导意义。