本文设计了6种不同小开度下阀门喉口型线,研究其对阀门流体域噪声影响的规律。通过Fluent软件稳态的k- ε 两方程模型和非稳态FW-H的噪声模型分别探究蒸汽流体的流动特性与噪声特性,研究结果表明:在阀芯不改变的情况下,阀套型线弧线为凹线型时,其噪声水平比凸线型低近3%,但流量降低近12%。在相同方程幅值下,反波浪线比正波浪线降低1至2分贝。凸线型比波浪线声压均值高4分贝左右,凹线型则与波浪线声压值差距较小。 In this paper, 6 kinds of valve throat lines with different small opening are designed to study the rule of their influence on the noise in the valve fluid domain. The flow characteristics and noise characteristics of the steam fluid were investigated by Fluent’s steady-state k-equation model and unsteady FW-H noise model, respectively. The results showed that the noise level was nearly 3% lower than that of the convex type when the curve of the valve sleeve was concave than that of the convex type without changing the spool. Under the same equation amplitude, the inverse wavy line is 1 to 2 dB lower than the positive wavy line. The convex line is about 4 dB higher than the wavy line, while the concave line is less different from the wavy line.
张文清,谢鸣,邬长乐,李乐,王善彬
上海理工大学能源与动力工程学院,上海
收稿日期:2020年8月4日;录用日期:2020年8月18日;发布日期:2020年8月25日
本文设计了6种不同小开度下阀门喉口型线,研究其对阀门流体域噪声影响的规律。通过Fluent软件稳态的k-ε两方程模型和非稳态FW-H的噪声模型分别探究蒸汽流体的流动特性与噪声特性,研究结果表明:在阀芯不改变的情况下,阀套型线弧线为凹线型时,其噪声水平比凸线型低近3%,但流量降低近12%。在相同方程幅值下,反波浪线比正波浪线降低1至2分贝。凸线型比波浪线声压均值高4分贝左右,凹线型则与波浪线声压值差距较小。
关键词 :蒸汽阀,气动噪声,型线
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蒸汽调节阀是汽轮机的重要组成部分,而其由于阀内剧烈的降压往往会产生极大的噪声。根据亨利·康达提出的康达效应,流体有偏离原本流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。且通过改变型线边缘的流动或阻止流动撞击边缘,可以显著降低腔上方的相干涡脱落不稳定性 [
根据以前的研究,我们知道流动模式在分析流动引起的噪声机理中起着重要作用。在这项研究中将进一步揭示不同流型的噪声机理。由于节流域喉部及下游段区域是调节阀气动噪声的主要声源位置且节流域喉部处型线的曲率是影响阀内流场形态的重要参数,曲率太大时工作介质因转向太快而产生较大的离心力,在曲率半径方向上的速度梯度较大,容易产生脱壁现象,进而流动产生较大的分离造成较高的噪声 [
蒸汽调节阀的半剖视图如图1可见,其主要由阀体、阀套和阀芯组成。高温高压的蒸汽由右侧进入后,首先与阀套接触,通过阀套节流孔后,在阀芯的限制下通往下游。阀门进口直径为37 mm,出口直径为50 mm,将阀芯的开度行程停留于10%开度下。黄色圈a为阀套型线的改型处,使用CATIA的法则曲线功能,以45˚为切线,通过各方程曲线对其边缘进行切割。图2为6种阀门型线示意图,主要分为三大类分别是幅值0.5 mm、0.8 mm与0.5 mm的波浪线型。
图1. 阀门剖面示意图
图2. 阀门型线图
由于蒸汽阀内部流体域几何结构复杂,同时兼顾网格量,本文采用四面体与六面体的组合网格。图3为计算域示意图,由3个域组成,分别为进口域、核心域、出口域,对壁面附近和喉口区域的网格进行了细化,以满足湍流模型的要求。经过y+计算,近壁面第一层网格高度为0.008 mm,设置12层,增长率为1.05,网格总数约为4.3 × 106。
图3. 计算域及网格示意图
1) 非定常控制方程
高温高压的过热蒸汽在调节阀内作三维可压缩的非定常湍流运动,其流动控制方程为非定常的雷诺时均N-S方程,在直角坐标系下的通用式 [
∂ ( ρ φ ) ∂ t + d i v ( ρ U φ ) = d i v ( Γ φ g r a d ∅ ) + S φ (1)
式中:ρ为流体密度;t表示时间;U是速度矢量;φ为通用变量,可以代表u、v、w、T、k和ε等求解变量;Γφ表示广义扩散系数;Sφ是广义源项。通过将式(1)对不同变量进行展开,可以得到相应的连续性方程、动量方程以及能量方程。蒸汽调节阀结构复杂,内部气体流动速度高,为保证数值计算的稳定性和效率 [
2) 声学模型
为了获得阀门内部湍流的数值解及声源数据,采用Fluent自带的FW-H积分方法计算流动声源向远场辐射的声压。本文所使用的声传播特性计算方法为FW-H声类比方程 [
1 c 0 2 ∂ 2 ∂ t 2 [ p ′ H ( f ) ] − ∇ 2 [ p ′ H ( f ) ] = ∂ ∂ t [ p 0 V n | ∇ f | δ ( f ) ] − ∂ ∂ t [ p i j n j | ∇ f | δ ( f ) ] + ∂ 2 ∂ x i ∂ x j [ T i j H ( f ) ] (2)
其中H为广义Heaviside函数:
H ( f ) = { 1 , f ( y , t ) > 0 0 , f ( y , t ) < 0 (3)
上面两式中 f ( y , t ) = 0 表示运动物体的边界;nj表示垂直壁面的分量。式(2)的FW-H方程中,等号右边第一项为单极子源,第二项为偶极子源,第三项为四极子源。
本文涉及的物理边界条件包括计算域进口、出口以及固体壁面边界。进口给定来流蒸汽总温552 K和总压6.3 MPa,出口压力为6.02 MPa,固壁均采用绝热、无滑移的边界条件。考虑到人耳所能听到的频率极限为20,000 Hz,根据采样频率公式设置时间步长为2.5 × e−5,流场计算4000个时间步,总时长0.1秒。
流量是阀门流通能力的象征,从图4中可以看出,凸线型线阀门流量最大,而小弧度型线流量更大。05凹线、08凹线、05反波浪线与05正波浪线的流通能力较为接近,其中08凹线表现最差。综上可得,凸线型流通能力最强,波浪线型居中,凹线型最差。
图4. 型线流量柱状图
图5左侧为6类不同型线的喉口时均局部速度流线图。从08凹线、05凹线、05凸线到08凸线,喉口型线壁面与阀芯之间的流域由宽到窄变化。由于流体被挤压,根据伯努利定理 [
图5. ZX截面速度流线及涡量图
图6为阀门ZX面一周的声压测点分布图,以15˚为间隔布置测点,同时在阀外侧50 mm处垂直相隔100 mm布置离节流处由近及远的三个单独测点。图7展现了各型线在0到360度一周的声压差,从中可以看到凸线型的噪声水平明显高于其他四者近4至5分贝,05凹线所产生的噪声最小,正反波浪线与08凹线声压较为接近。其中规律为凹线型比凸线型有更低的噪声,且凹型线半径越大,其降噪效果越佳。
图6. 固定测点位置示意图
从图8中可见,三个监测点的响应频率曲线总体上均呈现出声压级随频率的增大而减小的宽频特征,在2000以下的低频段声压有升高的趋势。05凸线、08凸线在低频区域相较于波浪线和凹线有更高的声压,且在2697 Hz处出现局部的峰值,这可能与凸线在小开度节流处的局部速度较大有关。点A、点B与点C的声压级可以看出,距离阀门喉口节流处越近其总声压值越大,故阀门的主要声源是来自于阀芯与阀套之间环形通道所形成的高速射流。从总声压级上看,正波浪线与凹线型三者降噪效果较好且声压差距极小,不超过1 dB,反波浪线声压值为146.458 dB,反波浪线比正波浪线高近1 dB,05凸线与08凸线分别比反波浪线高3至4 dB和1至2 dB左右。综上可得,凹线型噪声水平最低,波浪线型居中,凸线型最高。
图7. 声压差图
图8. 不同型线监测点声压级频率响应曲线
本文对阀门喉口不同型线流体域的气动噪声进行了数值模拟,得出以下结论:
1) 在阀芯不改变的情况下,阀套型线弧线为凹线型时,其噪声水平比凸线型低近3%,但流量降低近12%。
2) 在相同方程幅值下,反波浪线比正波浪线降低1至2分贝,正波浪线流量比反波浪线高1.2%。
3) 在相同方程幅值下,凸线型比波浪线声压均值高4分贝左右,凹线型则与波浪线声压值差距较小。
张文清,谢 鸣,邬长乐,李 乐,王善彬. 小开度下蒸汽阀型线对流动及噪声影响 Influence of Steam Valve Profile on Flow and Noise under Small Opening[J]. 建模与仿真, 2020, 09(03): 303-312. https://doi.org/10.12677/MOS.2020.93031