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充液管路系统中阀门流噪声的研究
2016-7-31 14:32 中国泵阀制造网 作者:佚名 点击:686
【中国泵阀制造网 行业论文】摘要:用二方程模型封闭的雷诺平均N-S方程组,对水管路系统中三种常见阀门的三维分离流动进行数值 模拟。模拟结果表明,随着蝶阀、闸阀和球阀开度的减小,流体在蝶阀背面、球阀阀门内外分别形成两个方向相反 的漩涡,闸阀的漩涡出现在挡板与管道的壁角处,并且漩涡在阀门下游逐渐消失。同时实验表明,阀门下游的流噪 声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。

充液管路系统中阀门流噪声的研究

吴石,张文平,封海波
(哈尔滨工程大学动力及核能工程学院,哈尔滨150001)


摘要:用二方程模型封闭的雷诺平均N-S方程组,对水管路系统中三种常见阀门的三维分离流动进行数值 模拟。模拟结果表明,随着蝶阀、闸阀和球阀开度的减小,流体在蝶阀背面、球阀阀门内外分别形成两个方向相反 的漩涡,闸阀的漩涡出现在挡板与管道的壁角处,并且漩涡在阀门下游逐渐消失。同时实验表明,阀门下游的流噪 声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。
  关键词:声学;阀门;流场;数值计算;流噪声;涡声
  中图分类号:O353. 1 文献标识码:

Study on Flow Noise of Valves in Fluid-Filled Pippline SystemWUShi, ZHANG Wen-ping, FENG Hai~bo (College of Power and Nuclear Eng.,Harbin Engineering Univeisity? Harbin 150001,China)

  Abstract: The 3-D separate flow from three kinds of valves in the w ater piping were made numeri-cal simulated test . The simulation results show that with the decreasing in opening angle of butterfly- valve、gate~valve and ball-valve, the fluid from the back of butterfly and from in-and-out of ball valve separately form two individual vortices in the opposite direction,at the same time the vortex from gate valve emerges at the wall corner and gradually disappears under the valve. It can be seen that in the experiment the flow noise at the downstream from the valve is bigger than that at the upstream,the valve-noise is produced by vortex motion.
  Key words acoustics; v alve; f low field;numerical simulation; flow noise; vortex sound


引 言
  无论是在流体机械中,还是在流体传动与控制 系统中,我们都会经常见到各种各样的阀门,这些阀 门的装置的主要作用是对流体的流量、压力和流动 方向进行调节和控制以满足工作系统的要求。可以 说阀门在管路系统中起着重要的作用。
  除此之外,从安全以及减震、降噪的角度出发对各种阀门附近 的流场进行计算,进而对其性能进行分析也是十分 必要的。然而,由于阀门结构、边界条件及支配方程 的复杂性,对其进行解析研究是比较困难的。一般 采用以下几种不同的数值离散方法[1]进行分析,如 有限差分法,有限体积法,边界元法和有限元法等。

本文针对海水管路系统中的阀门对整个管系的流动 影响,采用计算流体力学中常用的非结构、非交错网 格的有限体积法,模拟三种阀门附近的三维分离流 动。并通过实验研究证明,阀门附近的漩涡[2]是阀 门所产生流噪声的主要原因。

1 数学模型
  流体在管道内的流动实际是湍流流动,由于湍 流过程的复杂性和工程计算的多层次决定了湍流模 型的多样性,不同的湍流模型有不同的适应范围。 为确定N-S方程中的涡旋粘性系数µ,目前有许多 的湍流模型[3]可以选择。本文采用k-£ 二方程湍流 模型对阀门内部的流动进行数值模拟。
  本文研究的问题是非定常不可压粘性体的流 动。因为是不可压流,所以连续方程为
         ▽ 。 U =0 (1)
  在流体的粘性系数µ=const的情况下,动量方程为

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  湍流涡运动粘性系数计算公式
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湍流动能k的输运方程

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  湍流耗散率£的输运方程

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湍流动能和耗散率生成项Gk和G£的计算公式

001.jpg

式中u—前方来流的速度;

Gµ、C£1、C£2、σk、σ£湍流模型的常数

本文采用非交错网格的有限体积法[4]对各控 制方程组进行离散,控制体积的界面位于网格各个 结点的中间平面上,利用压强校正法求解各个变量。 壁面附近的流动采用壁面函数进行模拟。

2 初边值条件的确定
  将上述数学模型应用于具有阀门的管道中。管道内径D=200cm,阀门上游长300cm,下游长300cm。其管道内流体性质如下:温度为室温288k、密度为ρ=1000. 5kg/m3,运动粘性系数为υ= 1. 0x 10—6m2/s。粘性流体在管壁边界处或阀门阀瓣处, 速度的边界条件要满足无滑移条件,即固壁上的速度U=0。
  进口边界条件
001.jpg
  式中Wmax—最大速度,值为1.0 m/s;
  Rmax-管道直径,值为200 cm。
  出口边界条件:P=0 湍流动能 001.jpg
  耗散率001.jpg
  式中I—紊流强度,文中取I =0.05

3 数值模拟结果
  数值模拟的结果表明,当阀门关闭到一定的角度时,在阀门附近开始出现漩涡流动。如图1、图2、 图3所示。
  从图1可以看出,由于蝶阀背面存在局部低压区,从蝶阀上方越过的流体部分折向下阀门下方流, 从蝶阀下方流过的流体部分折向上方流,形成两个 大小相近、方向相反的漩涡。在这两个漩涡向下游发展过程中,相互作用,逐渐减弱。当蝶阀关闭的角 度继续增大时,回流区域也逐渐增大,并控制整个流 场结构,在阀瓣的上方和下方分别形成两个很大的 回流区,回流中心的压力最低。当蝶阀关闭角度较构。在蝶阀关闭角度较小时,在与管道轴线垂直的 截面上形成一对大小相近、方向相反的漩涡控制着 流场。
从图2所示可以看出,闸阀的漩涡与蝶阀不同, 它只有一个漩涡,出现在阀门挡板与管道的壁角处, 向下游发展并逐渐消失。而从图3所示可以看出, 从球阀下方流过的流体部分折向上方流,在球阀内 形成与流动方向相反的漩涡;同时在球阀外形成一 个与球阀内漩涡大小不等,方向相反的漩涡,且球阀 的外涡形成在阀门外的壁角处,阀门外的涡量大于 阀门内的涡量。三种阀门的漩涡形成的位置不同, 并且由于阀门结构不同,涡的尺度也不同。通过数 值模拟,从阀门下游流场图可以看出,随着阀门开度 的减小,球阀阀门后涡的尺度增大。
另外由以上数值计算结果可以得知,当流体流 经阀门时产生的能量损失主要是流动收缩引起的能 量损失,漩涡的旋转要产生能量损失,流动的扩张要 产生能量损失。可以说,阀门的节流作用是以流动 的能量损失为代价的,阀门开度越小,能量损失越 大。同时由于湍流的作用和漩涡的出现使海水管路 系统的振动、噪声增大。对海水管路系统的工作状 态有很大的负面影响。

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(来源:中国泵阀第一网)

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