基于數(shù)值仿真的船用閥門聲學性能對比分析

劉 洋，張生樂，吳 亮

(武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

在船舶管路系統(tǒng)中，各種各樣的閥門至關重要，這些閥門裝置的作用是對流體的流量、壓力及流動方向進行調節(jié)和控制以滿足系統(tǒng)的要求，但由于其內部流道結構一般相對于管路系統(tǒng)其他結構更為復雜，流噪聲問題突出，進而影響管路系統(tǒng)的振動噪聲。隨著閥門設計、制造技術水平的不斷提高，不僅要求其能完成對傳輸介質的通斷，同時對其工作過程中的聲學性能要求也越來越高[1]。

目前，流體力學問題，尤其是湍流問題，機理方面的研究進展較為緩慢，加之閥門內部流道結構、邊界條件及支配方程的復雜性，直接對其進行解析研究難度較大。隨著近些年CFD技術的飛躍式發(fā)展，特別是計算速度的大幅提升，使得對流體通道內的聲場性能進行仿真分析成為可能。針對閥門內部流場，國內外學者進行過許多研究。其中，劉少剛等[1]采用計算流體力學通用軟件Fluent對實際使用中的通海閥內流場分布進行仿真計算，并對其結構進行改進提出了一種新型內流道結構；江山等[2]根據(jù)可視化結果分析影響通海閥性能和產生噪聲的原因．為通海閥的內流道優(yōu)化提供理論依據(jù)；Ito等[3]用有限差分法對液壓錐閥層流流場進行了研究。本文針對不同類型、不同規(guī)格閥門，結合相關理論研究，建立流道的幾何模型，借助于流體力學通用軟件Fluent，進行了閥門聲學性能計算與對比分析。

1 仿真方法

1.1 閥門流道建模

由于閥門內部流道的復雜性，借助專業(yè)的三維建模軟件ProE對閥體內部流道進行建模，綜合運用了變剖面造型等多項幾何建模技術，并去除了部分倒圓角，在兼顧后續(xù)網格順利劃分的同時，保證了流道幾何尺寸的準確性。

1.2 仿真對象

本文選取的數(shù)值仿真計算對象如表1所示。

表1 各規(guī)格閥門計算對象Tab. 1 Valve calculating objects of various specifications

典型閥門流體通道的幾何模型如圖1所示。

圖1 典型閥門流體通道的幾何模型Fig. 1 Geometric model of typical valve fluid channel

1.3 流體狀態(tài)

對于閥門內流體介質，為不可壓縮流體。入口處流速約為2.5 m/s，取20 ℃時海水的動力粘度系數(shù)為1.005×10–3Pa·s、海水的密度約為 1 025 kg/m3，以最小公稱通徑DN10閥門計算無量綱雷諾數(shù)：

對于圓形充液管路，Re>2300時內部液體即為湍流流動，因此閥門內流體介質處于湍流狀態(tài)，計算時需要選擇合適的湍流模型。

1.4 基本理論

1）RANS控制方程

直角坐標系下，不可壓縮牛頓流體連續(xù)性方程與RANS方程為：

2）湍流模型

以上的方程組不封閉，需要采用相應的湍流模型。湍流過程的復雜性和工程計算的多層次性決定了湍流模型的多樣性，不同的湍流模型有著自己不同的適用范圍，主要的湍流模型包括標準k-ε模型、RNG k-ε模型、可實現(xiàn)k-ε模型、標準k-ε模型、大渦模型（LES）等。其中，二方程模型中的標準k-ε模型是在工業(yè)應用中被普遍使用的湍流模型，其計算收斂性和精確性都非常符合工程計算的要求，因此在本文中選取標準k-ε模型進行計算。

在標準k-ε模型中，湍流動能k和湍流耗散率ε方程分別為：

式中：k為湍動能量；ε為耗散率；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產生；YM可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；σk，C1ε，C2ε，C3ε為常系數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)，且有：

1.5 邊界條件

為保證來流的穩(wěn)定性與出口段的充分發(fā)展，閥門上下游均延長5DN，在Ansys Workbench中的DS中完成網格劃分后導入Fluent進行分析，邊界條件設置如下：

1）入口邊界。入口設置為速度入口，方向垂直于邊界，大小為 2.5 m/s；

2）出口邊界。出口設置為Outflow邊界條件，即自由出流；

3）壁面。流體通道的壁面采用固壁邊界條件，即設定為無滑移條件u=v=ω=0，并在近壁面處設置邊界層，加密網格。

1.6 計算方法

在考慮湍流的許多實際應用中，噪聲并不存在清晰的音調，噪聲能是在一個寬頻帶范圍呈連續(xù)分布的。在這種寬頻噪聲的條件下，可以從RANS方程計算統(tǒng)計意義上的湍流量，并結合半經驗公式和Lighthill氣動噪聲比擬理論來解決寬頻噪聲問題，而寬帶聲源模型中的Proudman噪聲能近似公式用于預測流場噪聲問題的方法在國內外某些領域已得到一定范圍的應用和驗證[4 – 6]。

本文利用 BNS(broadband noise source)模型進行流場流噪聲計算，計算中須在Fluent中設置BNS模型參數(shù)，該模型借助統(tǒng)計方法，推導出適用于每個體單元的聲功率表達式。

各向同性湍流單位體積中所產生的聲能：

上式又可寫為：

聲功率級為：

式中：u為湍流速度；l為湍流特征尺度；α0為聲速度；α為模型常數(shù)；為參考聲功率。

2 計算結果比較

2.1 蝶閥（CB/T 3991-2008）聲場性能對比

由表2和圖2可知，DN80的閥門聲學性能較優(yōu)，DN125的閥門聲學性能較差。

表2 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 2 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

2.2 球閥（GB/T15185-1994）聲場性能對比

由表3和圖3可知，DN125的閥門聲學性能較優(yōu)，DN15的閥門聲學性能較差。

2.3 截止止回閥（CB 855-2005）聲場性能對比

由表4和圖4可知，DN32的閥門聲學性能較優(yōu)，DN125的閥門聲學性能較差。

2.4 截止止回閥（GB/T 585-2008）聲場性能對比

由表5和圖5可知，DN65的閥門聲學性能較優(yōu)，DN125的閥門聲學性能較差。

圖2 最大聲功率級對比圖Fig. 2 Maximum sound power level contrast diagram

表3 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 3 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

圖3 最大聲功率對比圖Fig. 3 Maximum sound power contrast diagram

表4 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 4 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

圖4 最大聲功率級對比圖Fig. 4 Maximum sound power level contrast diagram

表5 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 5 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

2.5 截止閥（CB 854-2005）聲場性能對比

由表6和圖6可知，DN125的閥門聲學性能較優(yōu)，DN150的閥門聲學性能較差。

2.6 節(jié)流閥（CB/T 315-1993）聲場性能對比

由表7圖7可知，DN10的閥門聲學性能較優(yōu)，DN20的閥門聲學性能較差。

圖5 最大聲功率級對比圖Fig. 5 Maximum sound power level contrast diagram

表6 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 6 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

圖6 最大聲功率級對比圖Fig. 6 Maximum sound power level contrast diagram

表7 各公稱通徑閥門聲場計算結果Tab. 7 Summary of calculation results of sound field of nominal size valves

圖7 最大聲功率級對比圖Fig. 7 Maximum sound power level contrast diagram

2.7 相同公稱通徑、不同參考標準閥門聲場性能對比

由表8可知，對于公稱通徑同為DN50的閥門，球閥聲學性能較優(yōu)，截止閥、截止止回閥、節(jié)流閥聲學性能較差；對于公稱通徑同為DN80的閥門，球閥聲學性能較優(yōu)，蝶閥、截止止回閥聲學性能較差；對于公稱通徑同為DN125的閥門，球閥聲學性能較優(yōu)，蝶閥、截止閥、截止止回閥聲學性能較差。

表8 相同公稱通徑、不同參考標準閥門聲場計算結果Tab. 8 Summary of acoustic field calculations of valves with same nominal diameter and different reference standards

3 結 語

在進行閥門選型時，應綜合閥門的使用環(huán)境、功能、聲學性能等要素進行全面考量，本文針對不同類型、不同公稱通徑的閥門，利用CFD軟件Fluent進行了聲場數(shù)值模擬，并提取流道內最大聲功率級定量比較，得出以下主要結論：

1）球閥相比其他類型閥門聲學性能較優(yōu)。這是由于球閥全開時其內通道是直通的，球閥通道與管路截面積相差不大，介質流過球閥，與流過一段直通的管子類似，流體暢通，不易產生閥門漩渦，從而降低了湍流脈動噪聲，建議在閥門選型時優(yōu)先選用球閥；

2）其他類型閥門如蝶閥、截止閥以及截止止回閥，由于流體通道的復雜多變，壓力脈動較大，而流場的劇烈變化是影響閥門聲學性能和產生噪聲的重要因素，數(shù)值仿真計算結果也表明這幾類閥門聲學性能較差，建議在閥門選型時盡量回避。