輸氣管網(wǎng)流噪聲研究

顏士逵，林 業(yè)，夏宇峰

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處 合江輸氣作業(yè)區(qū), 四川 瀘州 646200；3. 中國(guó)石油西南油氣田分公司華油公司 凱源萬(wàn)州分公司, 重慶 萬(wàn)州 404040）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化程度的提高，許多曾今孤立于偏遠(yuǎn)地區(qū)的場(chǎng)站已經(jīng)被新興的城鎮(zhèn)所包圍，而場(chǎng)站所產(chǎn)生的各種噪聲也隨之嚴(yán)重地影響到了周?chē)罕姷恼Ｉ钆c工作。天然氣場(chǎng)站管網(wǎng)存在多種工藝管線(xiàn)和管件等聲源發(fā)聲體。管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，噪聲主要是由匯管、彎頭以及閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)等產(chǎn)生。其中許多聲源為流體動(dòng)力性噪聲。

流體動(dòng)力性噪聲指運(yùn)動(dòng)著的流體和靜止固體邊界相互作用以及運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)部湍流引起的輻射噪聲。主要的激發(fā)機(jī)理為固體與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及流體自身不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所激起的流體內(nèi)部壓力及應(yīng)力的擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳播[1,2]。

1 流噪聲理論研究

1.1 Lighthill聲比理論

Lighthill（1950）成功地對(duì)流體力學(xué)基本方程進(jìn)行重新變換，并且將脈動(dòng)的氣體密度作為獨(dú)立變量，比擬流體力學(xué)方程左端項(xiàng)為自由空間的聲傳播波動(dòng)算子，方程的右端項(xiàng)定義為流動(dòng)噪聲的聲源項(xiàng)[3]。

在笛卡爾坐標(biāo)系下微分形式的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程可表示為：

Lighthill通過(guò)質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，推導(dǎo)出了著名的Lighthill方程：

式中：ρ—流體的密度；

c0—未受擾動(dòng)流體的聲速；

Tij—Lighthill應(yīng)力張量。

p—流體中的壓力；

xi—空間固定坐標(biāo)系，在湍流流動(dòng)區(qū)域外的平均流動(dòng)速度為零。

Lighthill方程，描述了由方程右端的聲源分布產(chǎn)生的聲傳播的控制方程。

Lighthill原始的氣動(dòng)聲學(xué)方程是以密度波動(dòng)的形式給出的，但是由于在聲級(jí)的描述以及聲學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析中，普遍實(shí)驗(yàn)聲壓量 ，因此方程(3)可以簡(jiǎn)化為：

式中，q描述了聲源分布，可由下式給出：

Lighthill從流體力學(xué)基本方程出發(fā)，假定包圍流場(chǎng)的是一個(gè)無(wú)限大均勻靜止介質(zhì)（其聲波傳播速度和密度是常數(shù)），推出流動(dòng)噪聲的聲源項(xiàng)可以用一個(gè)在流體流動(dòng)空間分布的聲學(xué)四級(jí)子描述，這個(gè)等效的四級(jí)子的強(qiáng)度就是Lighthill應(yīng)力張量，這個(gè)應(yīng)力張量由流動(dòng)區(qū)域的湍流脈動(dòng)特征所決定。Lighthill聲類(lèi)比理論的提出，建立了解決流動(dòng)噪聲問(wèn)題的理論基礎(chǔ)[4-6]。

1.2 Curle理論

Lighthill聲擬理論適用于忽視固體邊界作用的條件，是在無(wú)界空間中的氣流噪聲基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，固體邊界的影響是不可忽視的，占有極其重要的地位。

Curle（1955）成功利用基爾霍夫方法將Lighthill理論應(yīng)用到含有靜止固體邊界影響的條件，并得出相應(yīng)結(jié)論：靜止固體邊界的作用等同于偶極子源完全分布于整個(gè)固體邊界之上，且任意點(diǎn)的偶極子源強(qiáng)度等于該點(diǎn)作用在流體上的力的大小[7]。Curle關(guān)于Lighthill方程的積分解公式如下：

第三個(gè)積分項(xiàng)表示每一個(gè)面源dS（yi）輻射的基本聲波與強(qiáng)度是-fidS（yi）的偶極子聲源輻射的噪聲波相同。其中，fi表示流體作用在固體邊界單位面積上的力:

式中：ni—垂直固體表面的單位矢量；

τij—作用在固體表面的粘性應(yīng)力張量[4]。

如式（7）所示，聲場(chǎng)由空間分布的四級(jí)子qij、空間分布的偶極子 qi和面積分布的偶極子 fi等組成，該式對(duì)于空間任意觀(guān)測(cè)點(diǎn) 都是有效的。Curle理論的提出為繞流物體風(fēng)鳴噪聲、圓柱漩渦脫體噪聲等問(wèn)題提供了有效的理論依據(jù)。

1.3 FW-H理論

1969年，F(xiàn)fowcs Williams 和 Hawkings采用廣義函數(shù)法在 Curle理論基礎(chǔ)上，推廣到非靜止固體壁面對(duì)聲音的影響，即運(yùn)動(dòng)固體對(duì)流體中的發(fā)聲問(wèn)題，同時(shí)推導(dǎo)出FW-H方程：

式中：ρ′—?dú)怏w密度變化，kg/m3；

p′—?dú)怏w壓力變化，Pa；

f—廣義函數(shù)；

δ（f）—狄拉克函數(shù)。

方程向人們解釋了非靜止固體邊界和運(yùn)動(dòng)流體相互作用所產(chǎn)生的聲場(chǎng)由3部分組成：表面加速度作用產(chǎn)生的聲源（單極子源）、表面壓力脈動(dòng)引發(fā)的聲源（偶極子源）和流體內(nèi)部湍流引起的噪聲（四級(jí)子源）。FW-H方程的成功提出為解決螺旋槳、葉輪、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子等輻射噪聲問(wèn)題提供了確實(shí)可行的工具[8-9]。

1.4 Powell-Howe渦聲理論

由于Lighthill方程并不是封閉的，它將流場(chǎng)與聲場(chǎng)人為地分開(kāi)。在針對(duì)流場(chǎng)—聲場(chǎng)相互作用；聲波能量在流體中的產(chǎn)生、傳遞等基本聲學(xué)問(wèn)題時(shí)，則需要對(duì)Lighthill方程中的源項(xiàng)進(jìn)行重新定義。

1964年，Powell假定氣動(dòng)聲起源可能歸因于漩或渦的形成過(guò)程，這一作用引起渦的形成，同時(shí)引起聲輻射。并從Llight基本方程出發(fā)，推導(dǎo)出Powell理論，其理論形式如下：

式中：p—聲壓；

c0—參考聲速（取遠(yuǎn)場(chǎng)的聲速）；

與Lighthill理論類(lèi)似，他們都是將方程的左邊表示成達(dá)朗貝爾古典波動(dòng)算子的形式，而將其他項(xiàng)都并到方程的右邊，并根據(jù)古典聲學(xué)的理論將其理解為聲激發(fā)源。不難發(fā)現(xiàn)，在小馬赫數(shù)下作展開(kāi)，其聲源項(xiàng)主項(xiàng)是一致的。從本質(zhì)出發(fā)，Powell理論能夠更好的解釋流場(chǎng)中的發(fā)聲機(jī)制，使得物理模型在特定前提下大大得到了簡(jiǎn)化，從而對(duì)流動(dòng)發(fā)聲的理論研究和數(shù)值計(jì)算更加方便[10-11]。

2 流噪聲軟件模擬研究

比利時(shí)LMS（Leuven Measurement & System）公司開(kāi)發(fā)的振動(dòng)—流體模型分析軟件：SYSNOISE，作為首家將邊界元（BEM）應(yīng)用到聲學(xué)領(lǐng)域的商業(yè)軟件，它采用了邊界元法和有限元法兩種數(shù)值計(jì)算方法，不僅能夠計(jì)算模型的聲學(xué)響應(yīng)，如聲壓、聲強(qiáng)及聲功率等，還能計(jì)算聲載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)；同時(shí)SYSNOISE還能對(duì)聲波的傳遞、折射、散射和輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)。

針對(duì)不同的分析類(lèi)型，SYSNOISE可以建立不同的流體模型，也可以建立流體模型和結(jié)構(gòu)模型的耦合模型。

SYSNOISE可以在頻率或時(shí)域計(jì)算振動(dòng)-聲作用，包括結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)聲的影響、聲載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；能計(jì)算聲場(chǎng)任意點(diǎn)處的聲輻射功率、聲強(qiáng)、聲壓、能量密度、流體模型的模態(tài)等問(wèn)題；還能與其他軟件結(jié)合，進(jìn)行降噪、減噪優(yōu)化分析。

SYSNOISE有著強(qiáng)大的前處理和后處理功能：網(wǎng)格檢查與修正；計(jì)算結(jié)果云紋圖、變形圖或向量圖；繪制聲場(chǎng)任意點(diǎn)的響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)等問(wèn)題都能夠得到準(zhǔn)確的解決[12]。

文獻(xiàn)[13]中孟令雅教授以輸氣管道中氣體流經(jīng)閥門(mén)時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲為研究對(duì)象，采用FW-H法和BEM法兩種方法來(lái)獲取氣動(dòng)噪聲聲源。經(jīng)兩種方法比較可以發(fā)現(xiàn)用BEM法計(jì)算效率高、精度高，能夠?qū)β晥?chǎng)中任一點(diǎn)的聲學(xué)量進(jìn)行求解[13]。

3 流噪聲治理措施研究

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，為減輕工藝場(chǎng)站對(duì)周邊環(huán)境的影響，主要可通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行方案和更換部分設(shè)備、零部件等方法實(shí)現(xiàn)噪聲的降低[14-16]。

（1）管道內(nèi)降噪。管道內(nèi)置式消聲器是降低管道噪聲的重要消聲設(shè)備。其原理是當(dāng)天然氣在管道中流通時(shí)，在管道內(nèi)側(cè)設(shè)置小孔吸聲裝置，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。

（2）管道外敷材料降噪。吸聲降噪材料是指吸聲系數(shù)比較大的非金屬材料，通常為多孔纖維。當(dāng)聲音傳入構(gòu)件材料表面時(shí)，聲能一部分被反射，一部分穿透材料，還有一部由于構(gòu)件材料的振動(dòng)或聲音在其中傳播時(shí)與周?chē)橘|(zhì)摩擦，由聲能轉(zhuǎn)化成熱能，聲能被損耗，即通常所說(shuō)聲音被材料吸收。

（3）管路設(shè)計(jì)降噪。首先，與彎管相比，平直管道不易激發(fā)因彎管急彎所引起的驟然湍流脈動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲；其次，短管道能有效縮短噪聲源，起到降低產(chǎn)生噪聲的源強(qiáng)的效果；再者，大管徑管道可以達(dá)到降低管路工作雷諾數(shù)的效果，同時(shí)能夠增加流噪聲的傳播衰減因子；最后，相較于急彎，平穩(wěn)圓滑地通過(guò)彎管能極大減小彎頭處流體速度、壓力的變化，從而起到減弱噪聲源的作用。

在實(shí)際生產(chǎn)中還可以根據(jù)各自場(chǎng)站的輸量特點(diǎn)做出其他行之有效的降噪措施，如：文獻(xiàn)[17]中所提到的“改單支路運(yùn)行為雙支路甚至三支路運(yùn)行”。近年來(lái)由于用氣量增長(zhǎng)較快，城鎮(zhèn)用戶(hù)未能?chē)?yán)格按照城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)范設(shè)置儲(chǔ)氣設(shè)施，使得瞬時(shí)最大供氣量超限和均衡系數(shù)超標(biāo)，超出原有工藝設(shè)計(jì)要求，從而造成場(chǎng)站噪聲超標(biāo)。增加場(chǎng)站的工藝管線(xiàn)不僅可以根據(jù)用氣量調(diào)整工藝運(yùn)行方案，平穩(wěn)工期，滿(mǎn)足用戶(hù)，而且能減低場(chǎng)站噪聲，并為進(jìn)一步擴(kuò)大輸量奠定基礎(chǔ)[17]。

4 結(jié)束語(yǔ)

輸氣管網(wǎng)流噪聲已然對(duì)周邊居民的生活、工作造成了重大的影響，并且對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，如何有效降低噪聲等級(jí)，減輕其對(duì)周邊的影響成為當(dāng)下亟待解決的難題。。

［1］ 周心一，吳有生.流體動(dòng)力性噪聲的相似關(guān)系研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2002,27（7）:373-378.

［2］ 李再承，侯國(guó)祥,等.管系湍流噪聲輻射研究方法進(jìn)展[J].中國(guó)艦舶研究，2007,1（2）：34-38.

［3］ Lighthill，M.J. On sound generated aerodynamically. I. general theory [J].Proc.R.Soc. Lond.,1955，231(1187):505-514．

［4］ 喬渭陽(yáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［5］ 黃磊.噴注噪聲抑制技術(shù)研究[D]. 上海:上海交通大學(xué)，2009．

［6］ 劉志仁.二維多段翼型縫翼縫道參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響分析[D]. 上海:上海交通大學(xué)，2011．

［7］ N.Curle. The Influence of Solid Boundaries upon Aerodynamic Sound[J].Proc Roy. London Soc.231A,1955:505-514．

［8］ Ffowcs Williams J E，Hawkings D L. Sound Generated by Turbulence and Surfaces in Arbitrary Motion[J]. Phil.Trans.Roy.Soc.（London）A264,1969:321-342.

［9］ 堃孟 宇.基于大渦模擬的潛艇脈動(dòng)壓力與流噪聲性能數(shù)值計(jì)算[D].上海:上海交通大學(xué)，2011．

［10］ Powell，A.Theory of vortex sound[J]. Journal of the Acoustical Soceity of America,36(1):177-195．

［11］ 唐囡，劉秋洪,等.離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值研究的現(xiàn)狀與分析[J].流體機(jī)械，2008,36（11）；32-37.

［12］ 李增剛.SYSNOISE Rev5.6詳解[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［13］ 孟令雅，劉翠偉,等.輸氣管道氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)制及其分析方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012,6（36）:128-136.

［14］ 李再承,等.管系湍流噪聲輻射研究方法進(jìn)展[J].中國(guó)艦船研究，2007,1（2）:34-38.

［15］ 顏丹平，高順利,等.天然氣調(diào)壓站的噪聲控制實(shí)踐[J].煤氣與熱力，2008,12（28）:B 05-B 08.

［16］ 王龍，王玉彬,等.天然氣站場(chǎng)噪聲分布與流場(chǎng)模擬[J].化學(xué)工程與裝備，2010,12（28）：166-167.

［17］ 施紀(jì)衛(wèi)，呂莉,等.天然氣長(zhǎng)輸管道工藝場(chǎng)站噪聲的治理[J].電子設(shè)計(jì)工程，20013,4（21）:79- 80;84.