新型通海閥流噪聲的數(shù)值模擬對(duì)比研究

賈文尖，蔣 鵬，史文祥，婁燕鵬

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引 言

通海閥作為船舶管路系統(tǒng)重要的控制單元，是海水管路系統(tǒng)中的第一道閥門，但同時(shí)也是管路系統(tǒng)中主要的噪聲源[1]。由于通海閥的節(jié)流作用，閥內(nèi)紊流程度高，流體對(duì)流道的沖刷嚴(yán)重，流體介質(zhì)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)會(huì)直接輻射產(chǎn)生流噪聲，流噪聲的頻率具有典型的寬頻特性[2]，傳播距離遠(yuǎn)，范圍廣，是影響水下裝備隱蔽性的關(guān)鍵因素之一。隨著噪聲探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，有效降低閥門的噪聲，提升裝備隱蔽性已成為研究的主要課題[3]。

目前，針對(duì)海水管路閥件噪聲的研究大多數(shù)基于對(duì)截止類閥、調(diào)節(jié)閥及管路進(jìn)行聲學(xué)數(shù)值模擬分析。方超等[4]基于單向流固耦合，采用聲學(xué)邊界元法對(duì)某通海閥流噪聲及流激振動(dòng)噪聲進(jìn)行對(duì)比分析研究，結(jié)果表明流激振動(dòng)噪聲完全湮沒(méi)在流噪聲中，對(duì)該系統(tǒng)通海閥噪聲進(jìn)行治理時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮流噪聲。徐國(guó)棟等[5]以船舶海水冷卻系統(tǒng)通海閥出口管路為對(duì)象，采用FEM/AML 技術(shù)，進(jìn)行水下輻射噪聲分析，對(duì)比不同通海閥水下深度、出口管徑對(duì)流噪聲的影響，結(jié)果表明海水冷卻系統(tǒng)通海閥水下流噪聲以低頻為主。桂瞬豐等[6]采用CFX 軟件對(duì)某型通海閥的噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，通海閥低頻噪聲聲能較大，高頻部分所占比重較小。聶欣等[7]根據(jù)LES 和Lighthill 聲類比理論，采用流體力學(xué)軟件Fluent 和聲學(xué)仿真軟件ACTRAN，研究計(jì)算了直筒籠式閥門在相同流量不同開度下閥門內(nèi)外部的流噪聲特性，結(jié)果表明，當(dāng)閥門開度降低時(shí)，閥門內(nèi)的湍流強(qiáng)度、速度和壓力波動(dòng)均相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致閥門內(nèi)外的整體聲壓分貝變強(qiáng)，閥門內(nèi)部噪聲能量也增強(qiáng)，閥門噪聲具有偶極子特性。Wei Lin 等[8]基于CFD，應(yīng)用FW-H 模型來(lái)研究高壓減壓閥中的流噪聲特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口壓力對(duì)聲壓級(jí)有很大影響，最大馬赫數(shù)接近1 時(shí)，低頻的聲壓級(jí)會(huì)非常高。LiuKai 等[9]提出一種基于計(jì)算流體力學(xué)和Lighthill 聲學(xué)類比的理論的混合方法來(lái)模擬管路流噪聲，結(jié)果顯示該方法模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

近幾年，采用角式雙球閥作為通海閥的方案已被提出并實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用，但針對(duì)角式雙球閥的噪聲方面的分析研究與數(shù)據(jù)不完善，因此研究其噪聲特性對(duì)其后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用中具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

本文以2 種新型角式雙球閥結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用CFD 技術(shù)及直接邊界元法（BEM），通過(guò)對(duì)雙球閥全開時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，聯(lián)立Fluent 軟件和LMS Virtual.Lab 軟件對(duì)雙球閥的流噪聲進(jìn)行計(jì)算研究，分析不同流速與流噪聲頻譜特性間的關(guān)系，獲得噪聲聲壓級(jí)的數(shù)值大小，提供數(shù)據(jù)支撐，為進(jìn)一步提高通海閥的降噪優(yōu)化水平優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 角式雙球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)參數(shù)

角式雙球閥采用一體化雙球體結(jié)構(gòu)，主要由閥體、閥蓋、球體、閥座、等零部件組成。開放流道角式雙球閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，封閉流道角式雙球閥三維模型方案圖如圖2 所示。

圖1 開放式流道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of unclosed flow channel

圖2 封閉流道結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of closed flow channel

1.2 流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）開放式流道角式雙球閥。為角球閥與直通球閥連通的常規(guī)設(shè)計(jì)，一道閥與二道閥不成封閉流通結(jié)構(gòu)，部分介質(zhì)流出一道閥后進(jìn)入球與閥體的空腔內(nèi)；同時(shí)角球閥采用90°轉(zhuǎn)角球結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)角半徑較小。

2）封閉流道角式雙球閥。通過(guò)采用角球球體中心與出口流道具有偏心距設(shè)計(jì)，增加彎頭使一道閥與二道閥內(nèi)流道實(shí)現(xiàn)封閉連通；同時(shí)也增加了角球流道的轉(zhuǎn)彎半徑，約為開放流道角球轉(zhuǎn)彎半徑的1.5 倍。

2 流噪聲數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)

2.1 流場(chǎng)計(jì)算模型

2.1.1k-ε 模型

本文各流速下雷諾數(shù)均大于3000，由《GB/T 30832-2014 閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》A.3.1 測(cè)試管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)高于3000，確認(rèn)該流動(dòng)為湍流，因此穩(wěn)態(tài)分析時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。1972 年，Launder 等[10]提出了標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，在一方程模型的基礎(chǔ)上引入了關(guān)于湍流耗散率 ε 的方程，k方程為精確方程， ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來(lái)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型假定流場(chǎng)全是湍流，分子間的粘性可以忽略，該模型計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果精度高，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型表達(dá)式分別為：

k方程

ε方程

式中：SE、SK為湍能耗散率及湍動(dòng)能的源項(xiàng)；C1、C2、C3為設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)這里取C1=1.44、C2=1.92、C3=0.09；YM 為可壓縮流體中脈動(dòng)擴(kuò)張量；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；GK為由于速度梯度所引起 的k的 產(chǎn) 生 項(xiàng)。湍 動(dòng) 能 σk和 耗 散 率 σε的 湍 流Prandt1 取值分別為1.0、1.3。

2.1.2 大渦模擬

瞬態(tài)分析采用大渦模擬(lLarge Eddy Simulation,LES)，即在一定的簡(jiǎn)化條件下直接求解N-S 方程，可將湍流流場(chǎng)中的渦流分為不同尺度的的渦流，小渦采用時(shí)均化處理。通過(guò)近似的亞格子模型進(jìn)行考慮，大渦保留與時(shí)間相關(guān)項(xiàng)而可以通過(guò)數(shù)值方法直接求解，大渦模擬所得湍流解包含豐富的頻率信息，更有利于分析其頻譜特性[11-12]。

2.2 聲學(xué)理論

1952 年，Lighthill 在研究噴氣噪聲時(shí)基于流體力學(xué)中的N-S 方程提出了聲比擬方法，得到了著名的萊特希爾方程[13-14]。后來(lái)Curle[15]在Lighthill 方程進(jìn)行了的擴(kuò)展，得到了考慮固體壁面的氣動(dòng)聲學(xué)聲類比方程，該方程表達(dá)了由固體壁面由壓力脈動(dòng)引起的偶極子噪聲。運(yùn)用Curle 的積分解公式，有壁面邊界存在時(shí)的流噪聲問(wèn)題得到很好的求解。針對(duì)此問(wèn)題，F(xiàn)fowcs -Williams 與Hawkings[16]進(jìn)一步考慮了旋轉(zhuǎn)壁面的情況，推導(dǎo)出了FW-H 方程，為流噪聲預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。FW-H 方程為：

綜上，可看出噪聲聲源為單極子、偶極子和四極子，在聲學(xué)模擬中，單極子存在于流體速度低時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)，一般不作考慮。流體遇到壁面由于脈動(dòng)壓力產(chǎn)生的偶極子源與動(dòng)量能量交換產(chǎn)生的四極子源輻射聲功率與流速分別成6 次方或8 次方關(guān)系。因此，當(dāng)流體馬赫數(shù)較低時(shí)，不需要考慮四極子聲源，研究重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注在壁面脈動(dòng)壓力構(gòu)成的偶極子聲源上[17]。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 流場(chǎng)數(shù)值模擬

本文運(yùn)用Fluent 軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)流場(chǎng)模擬，流場(chǎng)分析過(guò)程中為了讓前后的流體充分發(fā)展，利用Ansys/Workbench 前處理模塊建立流體介質(zhì)的三維流體域模型，為了更準(zhǔn)確模擬流經(jīng)通海閥2 種不同流道時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)《GB/T 30832-2014 閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》，通海閥的前端入口選取5D的流場(chǎng)通道，后端出口選取10D的流場(chǎng)通道。為保證計(jì)算精度，在模型處理環(huán)節(jié)上盡量保留幾何細(xì)節(jié)，網(wǎng)格劃分采用四面體，檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量并進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

流場(chǎng)分析過(guò)程中，流體狀態(tài)為三維不可壓縮，屬湍流流動(dòng)，本次模擬介質(zhì)為水，根據(jù)通海雙球閥實(shí)際工況，入口為速度邊界條件，分別取1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s；出口為壓力邊界條件，為固定壓力5 MPa，收斂精度為0.001，壁面為無(wú)滑移面。

模擬計(jì)算步驟為：首先應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再改用LES 大渦模擬進(jìn)行瞬態(tài)運(yùn)算[18-19]。這種方法不需要舍去非定常過(guò)程中初始部分結(jié)果，更節(jié)省時(shí)間，而且已被證明可靠。本文計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 25 s，采樣總時(shí)長(zhǎng)為0.1 s。

3.2 流噪聲數(shù)值模擬

將前述流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)保存，提取流體域與雙球閥耦合區(qū)域壁面壓力脈動(dòng)信息，將模擬計(jì)算的不同流速下流固耦合面流體壓力脈動(dòng)信息以CGNS 格式導(dǎo)入LMS Virtual.Lab 軟件中，基于單向流固耦合，將流場(chǎng)外壁面的壓力脈動(dòng)傳遞至通海閥流道內(nèi)壁面，經(jīng)快速傅里葉變換，對(duì)傳遞后的殼體內(nèi)壁面的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到頻域信息，聲學(xué)計(jì)算流程如圖3 所示。本文研究流體馬赫數(shù)較低，因此將此壓力脈動(dòng)作為壁面偶極子聲源激勵(lì)，采用直接邊界元法計(jì)算流體流經(jīng)通海閥產(chǎn)生的流噪聲，頻率為10～2000 Hz。

圖3 聲學(xué)計(jì)算流程Fig.3 Acoustic calculation process

為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量流經(jīng)通海閥的流噪聲聲壓值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GJB 4058-2000 艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》的規(guī)定：測(cè)量表面與基準(zhǔn)體的測(cè)量距離應(yīng)不小于1 米，一般取1 m。故設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖4 所示，通過(guò)S1、S2、S3、S4四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析雙球閥的流噪聲特性。

圖4 雙球閥及管道三維模型Fig.4 3D model of double ball valve and pipeline

3.3 流噪聲影響分析

3.3.1 不同流速下聲壓頻響特性曲線分析

根據(jù)上述模擬實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)2 種角式雙球閥進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)分析，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)流噪聲聲場(chǎng)信息，將不同速度下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，定量對(duì)比通海雙球閥2 種結(jié)構(gòu)在不同流速下的噪聲特性。不同流速下通海雙球閥的聲壓頻率特性曲線如圖5 所示。

圖5 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻響曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of sound pressure frequency response at different monitoring points

分析可知，通海閥在不同速度下的頻譜規(guī)律具有明顯的寬頻特性。4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同頻率下聲壓級(jí)的極大值區(qū)域與極小值區(qū)域呈不規(guī)則交錯(cuò)分布，但封閉、開放式2 種結(jié)構(gòu)的頻響曲線總體變化一致，聲壓級(jí)均隨著頻率的升高呈下降趨勢(shì)，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大峰值聲壓級(jí)頻率集中在200～400 Hz，即低頻聲能量所占比重大，中高頻聲能量所占比重較?。贿M(jìn)一步驗(yàn)證在實(shí)際使用環(huán)境中，閥門流噪聲多呈低頻性。

通過(guò)上述分析可知，2 種結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓隨頻率的總體變化趨勢(shì)一致，為探究聲壓頻響特性曲線隨速度的變化規(guī)律，提取4 個(gè)流速下在監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2處的聲壓頻響特性曲線，如圖6 所示。由圖6 可知，在S2處，頻率為10～2000 Hz 范圍內(nèi),速度不同時(shí)各個(gè)頻率下的聲壓級(jí)相差較大，變化明顯。表明2 種結(jié)構(gòu)聲壓頻響曲線的波動(dòng)情況在不同流速下會(huì)有很大的區(qū)別。

圖6 不同速度聲壓頻響曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison of sound pressure frequency response at different speeds

為了分析2 種結(jié)構(gòu)的頻響特性曲線的差別，通過(guò)對(duì)比雙球閥2 種流道結(jié)構(gòu)4 個(gè)流速下在監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2的頻響特性曲線，如圖7 所示?？芍?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2處，開放式流道結(jié)構(gòu)聲壓級(jí)整體處于封閉結(jié)構(gòu)上方，二者的峰值聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的頻率不同，極大值極小值區(qū)域波動(dòng)的幅度也不同。速度為1 m/s 時(shí)，封閉流道結(jié)構(gòu)較大的峰值頻率集中在400 Hz 附近，而開放式流道峰值極大值頻率則集中在200 Hz、400 Hz、1500 Hz 附近，且其聲壓值均大于封閉結(jié)構(gòu)，封閉、開放式結(jié)構(gòu)聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的最高峰值為35.66 dB(A)、53.36 dB(A)；速度從1 m/s 變化到4 m/s，封閉結(jié)構(gòu)的峰值極大值點(diǎn)增多，但是在頻率低于600 Hz 時(shí)，2 種結(jié)構(gòu)的波動(dòng)趨勢(shì)較為一致，頻率越大，開放式結(jié)構(gòu)波動(dòng)越劇烈。

圖7 2 種結(jié)構(gòu)聲壓頻響曲線對(duì)比圖Fig.7 Comparison of sound pressure frequency response at two structures

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2，2 種結(jié)構(gòu)在低頻段，聲壓級(jí)下降幅度大；800～1200 Hz，聲壓級(jí)較為穩(wěn)定；超過(guò)1500 Hz后聲壓級(jí)迅速降低；速度為1 m/s、2 m/s時(shí)，隨著頻率增大，2 種結(jié)構(gòu)聲壓值急劇降低，而3 m/s、4 m/s 時(shí)壓降較緩，聲壓級(jí)降低一定值后即在小范圍內(nèi)波動(dòng)；表明低速時(shí)，雙球閥流噪聲的低頻特性更為明顯。

3.3.2 總聲壓級(jí)對(duì)比分析

對(duì)不同頻率下各場(chǎng)點(diǎn)聲壓值進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算得到噪聲總體強(qiáng)度的聲壓級(jí)[20]，總聲壓級(jí)計(jì)算式為：

式中，ni為 頻率i處的聲壓值；N為總采樣頻率數(shù)。

通過(guò)對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓進(jìn)行疊加，雙球閥在10～2000 Hz 頻率范圍內(nèi)的總聲壓級(jí)變化如圖8 所示，得到不同流速下2 種結(jié)構(gòu)總聲壓級(jí)如表1 所示。

表1 總聲壓級(jí)對(duì)比dB(A)Tab.1 Comparison of overall sound pressure level between thetwo structures

圖8 總聲壓級(jí)隨位置、速度的變化曲線Fig.8 Variation curve of total sound pressure levels with position and velocity

由圖8(a) 可知，封閉流道結(jié)構(gòu)下，速度1 m/s、2 m/s、3 m/s 時(shí)總聲壓級(jí)均低于50 dB(A），4 m/s 時(shí)總聲壓級(jí)略高于50 dB(A)，接近于開放式結(jié)構(gòu)速度為1 m 時(shí)的總聲壓級(jí)；當(dāng)流場(chǎng)速度增加時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處流噪聲總聲壓級(jí)的數(shù)值會(huì)相應(yīng)地增加，但同一流速距閥1 m 處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)差別不大，在小范圍內(nèi)波動(dòng)，趨于常值；開放式流道結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4會(huì)總聲壓值出現(xiàn)下降，表明由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不貫通，流噪聲聲壓會(huì)在結(jié)構(gòu)改變位置出現(xiàn)明顯變化。

由圖8（b）可知，速度從1 m/s 增大到4 m/s 過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)總體呈增大趨勢(shì)，表明隨著速度的增加，雷諾數(shù)隨之增加，通海雙球閥壁面湍流邊界層的不規(guī)則流動(dòng)也變得更加劇烈，脈動(dòng)壓力也增強(qiáng)。因此聲場(chǎng)中的由脈動(dòng)壓力引起的流噪聲聲壓級(jí)也增大；圖中封閉結(jié)構(gòu)各速度的總聲壓值遠(yuǎn)小于開放式結(jié)構(gòu)的值，且封閉結(jié)構(gòu)4 m/s 的總聲壓值也小于開放結(jié)構(gòu)速度1 m/s 的聲壓值。

從表1 中可看出，封閉結(jié)構(gòu)相對(duì)開放式結(jié)構(gòu)的總聲壓級(jí)平均降幅比例約為26.9%，降幅為17 dB(A)，壓降明顯，能夠有效抑制閥門噪聲。分析可知，封閉流道相較于開放式流道結(jié)構(gòu)，流體介質(zhì)始終處在閥門各部件所構(gòu)成的自帶流道內(nèi)，不會(huì)進(jìn)入內(nèi)部的空腔，避免介質(zhì)沖刷和內(nèi)腔渦流，提高了閥門的流通性，有效避免泥沙及介質(zhì)顆粒的沉積，不會(huì)造成閥門的卡澀、堵死。因此封閉結(jié)構(gòu)流體介質(zhì)流動(dòng)阻力小，而開放式流道流體介質(zhì)進(jìn)入空腔，形成渦流，流體脈動(dòng)壓力大，阻滯嚴(yán)重，因此直接輻射流噪聲聲壓級(jí)較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于流噪聲理論，對(duì)2 種不同流道結(jié)構(gòu)通海雙球閥在實(shí)際應(yīng)用工況下進(jìn)行流噪聲數(shù)值模擬，得到結(jié)論如下：

1）封閉流道增大轉(zhuǎn)彎半徑，增加彎角，雖增加了加工難度，提高了閥門的流通能力。

2）通過(guò)2 種結(jié)構(gòu)不同速度頻響曲線對(duì)比，可看出封閉與開放式2 種結(jié)構(gòu)下的頻響曲線總體變化一致，聲壓級(jí)均隨著頻率的升高呈下降趨勢(shì)，最大峰值聲壓頻率集中在200～400 Hz。

3）通過(guò)對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同速度的頻響曲線的對(duì)比分析，表明了各流速下開放式流道結(jié)構(gòu)流噪聲聲壓級(jí)明顯高于封閉流道結(jié)構(gòu)，且速度越大，壓降越不明顯，低流速時(shí)，雙球閥低頻特性更明顯。

4）通過(guò)對(duì)比分析總聲壓級(jí)的計(jì)算結(jié)果，初步揭示了總聲壓級(jí)的變化規(guī)律，即流道結(jié)構(gòu)改變會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，且流場(chǎng)速度增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)也呈增大趨勢(shì)。

5）與開放式流道結(jié)構(gòu)對(duì)比，封閉流道結(jié)構(gòu)降低約為26.9%的噪聲聲壓，降幅為17 dB(A)，能夠降低通海閥流道內(nèi)流體脈動(dòng)壓力與流噪聲聲壓，從而為新型通海閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一種新的思路。