大通徑氣動截止閥啟閉過程流動特性研究及低噪聲優(yōu)化

徐文濤1， 吳 川， 高隆隆， 盧 超1， 李寶仁

(1.中國艦船研究設(shè)計中心， 湖北武漢 430064；2．華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院FESTO氣動中心， 湖北武漢 430074)

引言

截止閥作為管道系統(tǒng)中重要的截斷類閥門，在工作過程中會對周邊環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，其中最顯著的就是嚴(yán)重的噪聲污染和振動危險[1]。由噪聲和伴隨的振動帶來的影響會造成截止閥本身及其鄰近設(shè)備的疲勞，從而降低了閥門的使用壽命，甚至可能導(dǎo)致安全事故。因此需要對截止閥內(nèi)流道進行低噪聲設(shè)計，以降低截止閥在工作狀態(tài)下的振動和噪聲。

隨著CFD的發(fā)展，可以通過仿真更好地理解復(fù)雜流道的流動問題。劉東彥等[2]對直角截止閥的閥芯、閥座和回油腔流道結(jié)構(gòu)進行了低噪聲優(yōu)化設(shè)計和數(shù)值模擬，有效降低了空化系數(shù)和湍流噪聲。崔銘超等[3]用CFD軟件Fluent，以RANS方程為控制方程，以有限體積法作空間離散，對直角截止閥內(nèi)流場進行了三維數(shù)值模擬，優(yōu)化設(shè)計其內(nèi)流道，提高了閥桿特定方向剛度以減小閥芯振動。徐俊偉[4]從氣動聲學(xué)基本理論出發(fā)，對現(xiàn)有的三種氣動噪聲數(shù)值計算方法進行介紹，分析這三種方法的適用性，并通過應(yīng)用實例說明它們各自的求解過程和優(yōu)缺點。趙威等[5]通過大渦模擬(LES)求解了不可壓非定常的流場，計算得到的雙圓柱流場特性和聲學(xué)特性與試驗吻合得很好，上游圓柱的渦脫落與下游圓柱抨擊引起的特征線譜噪聲特性也得到很好的預(yù)測。張生樂等[6]采用CFD方法對直通截止閥流場和噪聲進行數(shù)值仿真計算，結(jié)果表明流阻系數(shù)隨流體流速增大呈逐漸減小的趨勢，但數(shù)值變化不大；隨著流速增大，水動力噪聲聲壓級逐漸增大。王悅琴等[7]通過數(shù)值計算分析了各類截止閥的流阻特性，得到了阻尼系數(shù)與閥門開度、流道結(jié)構(gòu)、閥門導(dǎo)向布置的關(guān)系，節(jié)省了試驗成本。

本研究運用Fluent動網(wǎng)格模型對大通徑氣動截止閥的啟閉過程進行三維瞬態(tài)數(shù)值計算，以掌握氣體通過截止閥時的流動狀態(tài)以及變化趨勢，如壓力、速度、湍流動能等，為后續(xù)的降噪設(shè)計提供依據(jù)，進一步地提出了將閥口處錐面倒圓和在出口處安裝導(dǎo)流擋板的降噪方法，并考慮了工程的可實現(xiàn)性。

1 截止閥噪聲性能研究方法

1.1 截止閥噪聲來源

本研究所設(shè)計的截止閥噪聲主要由空氣動力噪聲和振動噪聲組成。空氣動力噪聲主要來源是氣體發(fā)生湍流時所產(chǎn)生的巨大沖擊力，高速氣體流動受阻，迅速減速、膨脹及流動方向突變均會造成湍流現(xiàn)象，引起氣流壓強的產(chǎn)生強烈脈動，當(dāng)脈動頻率在可聽頻率范圍且強度足夠大時產(chǎn)生湍流噪聲。振動噪聲是氣體經(jīng)過截止閥時帶來的湍流噪聲頻率與閥門零部件的固有頻率相吻合時的共振現(xiàn)象產(chǎn)生的，導(dǎo)致閥件和與之相連的管道材料疲勞和造成力學(xué)性變?nèi)醯?，從而影響截止閥的使用壽命[8]。

1.2 噪聲計算模型

本研究利用Fluent的寬頻噪聲模型求解截止閥工作過程中的空氣動力噪聲。

PROUDMAN[9]和LILLEY[10]使用不同的方法來推導(dǎo)單位體積各向同性湍流引起的聲功率，兩種方法都可以得到聲功率為：

(1)

式中，u和l分別是湍流速度和長度尺度；a0為聲速；α為模型常數(shù)。

聲功率也可以用湍流動能k和耗散率ε來描述：

(2)

(3)

式中，αε為重新調(diào)整的常量，在ANSYS Fluent中設(shè)置為0.1。

聲功率級別(APL)定義為：

(4)

式中，Pref為參考聲功率，其值為10-12W。

從以上公式可以看出，湍流動能越高說明湍流脈動噪聲越嚴(yán)重。

2 建模與假設(shè)

本研究的截止閥是一種直通式截止閥，如圖1所示，由閥體、閥芯、閥桿、閥蓋和手輪以及電動裝置等組成，通徑為DN32，介質(zhì)為空氣，工作壓力為3.5 MPa(表壓)，出口壓力為0.1 MPa(絕壓)，介質(zhì)的流向為從閥芯下方流入。

圖1 直通式截止閥結(jié)構(gòu)

2.1 幾何模型和網(wǎng)格模型

為了獲得閥門內(nèi)部氣體流動的真實反映，真實模擬截止閥在工作時的噪聲特性，將入口和出口加處設(shè)置了管道模型(如圖2所示)，上、下游管道長度均為截止閥通徑的3倍，閥門的初始開度為22 mm。整體模型的流道均采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格(如圖3所示)，并對流道中曲率變化較大的部分例如閥口處等采用局部加密處理。

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 計算設(shè)置和邊界條件

選擇基于壓力、瞬態(tài)、絕對速度、三維求解器以及標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型。流動介質(zhì)選擇空氣，密度設(shè)為理想氣體，這樣可以保證氣體是可壓縮的，并開啟了能量方程。邊界條件設(shè)為壓力入口(表壓3.5 MPa)，壓力出口(表壓為0)，操作壓力為1.01325 MPa。

本研究采用了動網(wǎng)格模型來模擬截止閥的啟閉過程。由于截止閥網(wǎng)格類型為四面體形，選擇網(wǎng)格光順及局部重構(gòu)的方式，即smoothing+remeshing的方式。在smoothing的設(shè)置中，選擇彈簧式，彈簧倔強系數(shù)取0.4，邊界節(jié)點松弛取0.5，收斂精度為0.001，迭代次數(shù)為100、在remeshing設(shè)置中，為了獲得更好的網(wǎng)格更新效果，將最大長度尺寸和最小長度尺寸都設(shè)為0，這樣可以保證所有的區(qū)域都被標(biāo)記為重新劃分，最大畸變單元取0.5[11]。

為了定義截止閥關(guān)閉時閥芯的運動條件，導(dǎo)入編寫好的UDF文件。

#include "stdio.h"

#include "udf.h"

DEFINE_CG_MOTION(one,dt,cg_vel,cg_omega,time,dtime)

{ cg_vel[1]= -0.005; }

這里使用Fluent自帶的DEFINE_CG_MOTION的運動定義宏，可以定義網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)或平移運動。其中one為UDF函數(shù)名，dt為迭代步長，cg_vel為網(wǎng)格平移運動的平均速度，其中cg_vel[0]、cg_vel[1]、cg_vel[2]分別為x、y、z方向運動速度，符號的正負(fù)分別表示速度沿著坐標(biāo)軸正向和負(fù)向。cg_omega為網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)運動的平均速度，其中cg_omega[0]、cg_omega[1]、cg_omega[2]分別為沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角速度，符號的正負(fù)分別表示方向為順時針和逆時針(沿著坐標(biāo)軸正向看去)。dtime為時間步長，time為當(dāng)前時間。這里將閥芯的運動簡化為勻速運動，運動速度為5 mm/s，運動時間為4 s。

3 瞬態(tài)仿真結(jié)果分析

由于截止閥的開啟和關(guān)閉過程具有一定的對稱性，本研究只分析了閥門關(guān)閉時的情況。選取了截止閥中截面為研究對象，以直觀反映截止閥關(guān)閉過程流動特性變化趨勢，并列舉了截止閥關(guān)閉過程中0.5, 2, 4 s時的速度、壓力和湍流動能云圖，進行比較分析。

3.1 截止閥關(guān)閉過程速度云圖

分析圖4可得，截止閥內(nèi)部流體速度在兩個地方有明顯增大的趨勢，速度梯度較大。其中一處高速區(qū)域出現(xiàn)在氣體通過閥口時，這是由于閥瓣關(guān)閉過程中，閥口處面積突然減小，根據(jù)擠壓效應(yīng)，閥口處流體從小間隙流過時，會產(chǎn)生射流現(xiàn)象，并且隨著閥門開度的減小，流體的流速會越來越快。另一處高速區(qū)域出現(xiàn)在氣體通過管道前的拐角處時，這是因為從閥口處流過的高速流體直接沖擊在了出口拐角處，速度急劇增加，造成了很大的沖擊。另外，隨著閥門開度的減小，最大速度減小，這是由于開度減小，閥口處的流通面積越來越小，閥口處的流量越來越小，而流體流經(jīng)出口拐角時過流面積相同，因此速度會越來越小。

圖4 截止閥關(guān)閉時的中截面速度云圖

觀察下游流體流速分布情況，流道上方流速遠大于下方流速，且閥門開度越大差值越大，這說明此處存在流動分離區(qū)。由于流動分離區(qū)的存在，縮小了有效流通面積，使閥門中形成了類似于高速射流的高速流動區(qū)域以及明顯的低速流動區(qū)域，流動分離區(qū)附近有非常高的速度梯度，產(chǎn)生了強烈的流動脈動。流動脈動是由速率的變化而不是速率的大小影響的。強的剪切層是漩渦產(chǎn)生的原因，因為這樣的剪切層在大雷諾數(shù)流動中會失穩(wěn)卷成漩渦[12]。

另外，若從閥口到下游流道的下壁面過渡不夠平緩，氣體經(jīng)過閥口后會加劇流動分離區(qū)的形成，造成更大的湍流噪聲，因此可以考慮在閥口處進行倒圓角處理。

3.2 截止閥關(guān)閉過程湍流動能云圖

分析圖5可得，截止閥關(guān)閉過程中，最大湍流動能均出現(xiàn)在截止閥出口靠近閥口的區(qū)域。通過速度云圖和湍流動能云圖的比較可以看出，湍流動能強的地方并不是速度最大的地方，而是速度梯度最大的地方，即流動分離區(qū)附近。這是因為湍流動能是由于速度的變化而引起的，因此湍流動能高的地方說明速度梯度比較大。也就是說，產(chǎn)生流動脈動的原因是由于速度的變化而不是速度的大小。

圖5 截止閥關(guān)閉時的中截面湍流動能云圖

因此優(yōu)化的重點是降低速度變化的梯度，減小或消除流動分離區(qū)，使閥門的有效流通面積增大，從而抑制強剪切層的形成，使得介質(zhì)在閥門內(nèi)流道中流動時不會因為失穩(wěn)卷成漩渦，減小湍流噪聲。

3.3 截止閥關(guān)閉過程壓力云圖

分析圖6可得，從進口區(qū)域到出口區(qū)域的壓力數(shù)值逐漸減小，其中入口處的壓力分布變化不大。壓降主要發(fā)生在閥口處和出口拐角處，閥口處壓降的幅度最大，并且隨著閥門的關(guān)閉該壓降越來越大。這是由于在關(guān)閉過程中閥瓣與閥座之間形成了很小的間隙，使得閥口處的流阻變大，壓力損失很快，并且間隙越小，節(jié)流損失越大。閥瓣在關(guān)閉過程中，閥瓣出口側(cè)和管道前拐角處均出現(xiàn)了低壓區(qū)域，而最低壓力均出現(xiàn)在進入管道前拐角處，且均是低于常壓的負(fù)壓區(qū)，這是因為該處出現(xiàn)了速度的最大值，動壓在此處最大，對應(yīng)地靜壓出現(xiàn)了最小值。

圖6 截止閥關(guān)閉時的中截面壓力云圖

4 截止閥低噪聲設(shè)計

4.1 優(yōu)化思路

根據(jù)上文中截止閥關(guān)閉過程的瞬態(tài)分析結(jié)果，對截止閥進行低噪聲優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)是在降低平均聲功率級的基礎(chǔ)上，最大聲功率級數(shù)值不出現(xiàn)明顯的增加或最大聲功率級出現(xiàn)的區(qū)域減小。

仿真表明，通過閥口后的大部分氣體會以較高的速度沖擊流道的上壁面，而只有一小部分沿下壁面流出，從而產(chǎn)生了流動分離區(qū)，有明顯的流動脈動，造成了較大的湍流噪聲。因此在出口處設(shè)計了一個導(dǎo)流擋板，如圖7所示，擋板上部分由密而小的導(dǎo)流孔組成，擋板下部分由疏而大的導(dǎo)流孔組成。由于擋板上方導(dǎo)流孔的節(jié)流作用大于下方導(dǎo)流孔，從擋板下方的導(dǎo)流孔中流過的氣體流量會變大，使得流道上下壁面處的流量趨于均衡，從而有效減小了流動分離區(qū)。

圖7 導(dǎo)流擋板

4.2 具體實現(xiàn)

考慮到工藝以及裝配的可實現(xiàn)性，如圖8所示，擋板的截面面積小于截止閥流道的最小面積，保證了導(dǎo)流擋板可以順利沿著閥體內(nèi)壁裝入。利用擋板末端的法蘭與閥體的法蘭面相連，并用螺釘緊固，擋板法蘭的內(nèi)嵌式安裝不會影響閥體與下游管路的連接。為了不影響截止閥的流通能力，適當(dāng)加大了閥體下游流道的橫截面積。另外，將閥口處的錐面倒圓角，使得閥口處過渡平緩，減少流動分離區(qū)的面積。并得到了優(yōu)化后的幾何流道模型如圖9所示。

圖8 導(dǎo)流擋板裝配圖

圖9 優(yōu)化后流道幾何模型

4.3 優(yōu)化結(jié)果

由圖10可得，中截面上的最大聲功率級有略微增加，但分布區(qū)域較小且較為分散。由圖11可得，氣體流經(jīng)擋板處的速度迅速增大，但之前流動分離區(qū)的面積有明顯減小，速度的梯度減小，嚴(yán)重的速度偏置現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)流擋板起到了緩沖和平衡流速的作用。由圖12所示的截止閥全局平均噪聲隨迭代次數(shù)的變化曲線可知，迭代600次后，F(xiàn)luent計算收斂，整個閥的平均噪聲由之前的100 dB降為90 dB，降低了10 dB左右，從整體上降低了截止閥的空氣動力噪聲。

圖10 優(yōu)化前后中截面聲功率級云圖對比

圖11 優(yōu)化前后中截面速度云圖對比

5 結(jié)論

本研究采用常用的CFD方法，對大通徑直通式氣動截止閥的啟閉時的流動特性進行了三維瞬態(tài)分析，分析了產(chǎn)生流體噪聲的原因。此外，本研究對直通式截止閥進行了低噪聲優(yōu)化， 將閥口的錐面倒圓并設(shè)計了一種安裝在出口處的導(dǎo)流擋板。通過分析直通式截止閥在優(yōu)化前后的流體噪聲性能的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的截止閥在出口管道氣流通量均勻性高，速度偏置現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，流體動態(tài)噪聲的平均聲功率等級在相同工作條件下減小了10 dB左右。上述數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化設(shè)計對直通式截止閥的噪聲性能有所改進，后續(xù)研究中將進一步開展樣機研制并對數(shù)值計算結(jié)果進行實驗驗證。另外，本研究未綜合考慮導(dǎo)流孔的形狀及分布、導(dǎo)流擋板離閥口的距離等對閥門噪聲性能的影響，需要進一步研究驗證。綜上所述，本研究的研究結(jié)果可以為管道系統(tǒng)中其他類型閥的低噪聲優(yōu)化設(shè)計提供參考。

圖12 全局平均噪聲隨迭代次數(shù)變化曲線