調(diào)節(jié)閥噪聲分析與氣穴研究

　　以套筒式調(diào)節(jié)閥為研究對象，通過流體動力學(xué)知識和噪聲理論對其內(nèi)部流場進(jìn)行分析，得到套筒式調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生振動的原因，并找出了調(diào)節(jié)閥內(nèi)流道中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的位置。通過CFD數(shù)值模擬，計算出在某一開度下調(diào)節(jié)閥的速度矢量圖，并與理論分析的氣穴現(xiàn)象進(jìn)行對比分析。該理論分析和CFD技術(shù)的采用，使得低噪聲、高性能的套筒式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計周期更短，成本更低，效果更好。

　　調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機構(gòu)和閥門部件2部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動裝置，它按信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而帶動閥芯動作;閥門部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，直接與介質(zhì)接觸，通過執(zhí)行機構(gòu)推桿的位移，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，同時它也是噪聲的主要發(fā)生源。

　　套筒式調(diào)節(jié)閥是一種特殊的調(diào)節(jié)閥，典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其閥體與直通單座式閥體相似，但閥內(nèi)有1個圓形套筒，套筒四周有不同形狀的開口，要根據(jù)流通能力大小來設(shè)計窗口的數(shù)量。利用套筒導(dǎo)向，閥芯可以在套筒中上、下移動，并實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。由于套筒調(diào)節(jié)閥采用平衡型的閥芯結(jié)構(gòu);因此不平衡力小、穩(wěn)定性好、不易振蕩，從而很大程度上改善了原有閥芯容易損壞的現(xiàn)象。

　　噪聲污染已經(jīng)成為世界公認(rèn)的4大污染源之一，各國都投入巨資治理噪聲，人們對噪聲控制提出了更高的要求。調(diào)節(jié)閥常常是管路系統(tǒng)中的噪聲源，當(dāng)壓力降到一定臨界值時，容易引起氣穴、氣蝕現(xiàn)象，并伴有流體噪聲和振動。調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)是影響調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵因素;因此，對調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的研究是很有必要的。

圖1 套筒式調(diào)節(jié)閥

1、調(diào)節(jié)閥噪聲產(chǎn)生的原因

　　1.1、機械振動產(chǎn)生噪聲

　　調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的機械噪聲主要來自閥芯、閥桿和一些可以活動的零件，主要原因是受介質(zhì)壓力波動的影響或者介質(zhì)的沖擊，還有就是由于調(diào)節(jié)套筒外圓和閥體導(dǎo)向裝置之間有較大的間隙。機械振動會引發(fā)剛性碰撞，產(chǎn)生的聲音是金屬響聲和敲擊聲，噪聲幅值的大小由碰撞的能量、振動體的質(zhì)量、阻尼、剛度等決定，這種振動頻率一般<1500Hz。

　　1.2、氣體動力產(chǎn)生的噪聲

　　當(dāng)氣體介質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流孔時，會產(chǎn)生氣體動力噪聲，多為一種漩渦脫離聲。通過大量研究表明，當(dāng)氣體流速比聲音速度低時，噪聲主要是因為強烈的擾流產(chǎn)生的;當(dāng)氣體流速比聲音速度大時，介質(zhì)就會產(chǎn)生沖擊波，此時噪聲會急劇增加。一般情況下，可壓縮介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的噪聲是最嚴(yán)重的。

　　1.3、液體動力產(chǎn)生的噪聲

　　當(dāng)液體介質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流孔時，會產(chǎn)生液體動力噪聲。當(dāng)液體經(jīng)過節(jié)流口時，由于節(jié)流口面積的急劇變化，流通面積縮小，流速升高，壓力下降，易產(chǎn)生阻塞流，產(chǎn)生閃蒸和空化。一般情況下，當(dāng)節(jié)流口前后壓差不大時，調(diào)節(jié)閥噪聲很小，可以不考慮噪聲問題;但當(dāng)節(jié)流口兩側(cè)壓差過大時，就會有閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生，從而存在氣、液兩相流，兩相介質(zhì)的減速和膨脹作用自然形成了噪聲。開始出現(xiàn)空化的點即稱為臨界點，此時調(diào)節(jié)閥的壓差為Δpc(開始空化時調(diào)節(jié)閥壓差)，完全達(dá)到空化時的壓差為ΔpT。

　　流體流動噪聲(Δp≤Δpc)：

　　初始空化噪聲(Δpc<Δp<ΔpT)：

　　完全空化噪聲(Δp>ΔpT，且p2>pv)：

　　式中，LP是介質(zhì)動力噪聲的聲壓級，以調(diào)節(jié)閥下游1m，并離管道1m處測量，單位為dB(A);KV是特定流量下的流量系數(shù);Kc是初始空化系數(shù);FL是液體壓力恢復(fù)系數(shù);H是管道壁厚;Δp是調(diào)節(jié)閥前后壓差;pv是液體飽和蒸汽壓;p1是閥前壓力;p2是閥后壓力。

　　可以看出，壓差和流速對噪聲的影響最大。速度越高，壓差越大，噪聲也就越大。當(dāng)然，流量系數(shù)、直徑、壁厚、溫度等因素都會對噪聲產(chǎn)生影響。

2、數(shù)值模擬

　　2.1、流道建模與網(wǎng)格劃分

　　計算模型采用圖1所示的套筒式調(diào)節(jié)閥，通過三維建模軟件UG建立調(diào)節(jié)閥簡化結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口直徑都為80mm，套筒窗口尺寸按設(shè)計計算值。進(jìn)行仿真分析前，要對流體部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過布爾運算得到調(diào)節(jié)閥在不同開度下的三維流道圖，并保存成.step格式。通過ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算網(wǎng)格數(shù)為30萬個。

　　2.2、Fluent采用的設(shè)置

　　將.msh文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置后進(jìn)行計算。本算例湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型，離散方程的求解方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的SIMPLE算法，速度壓力場采用隱式的全場迭代解法，邊界條件規(guī)定進(jìn)口總壓力與出口壓力。設(shè)定好上述求解控制方程后，即可求得不同開度的閥芯模型。

　　2.3、仿真結(jié)果分析

　　仿真結(jié)果如圖2所示�？梢钥闯�，流體經(jīng)過節(jié)流口A時，流速突然增大，壓力迅速降低，在節(jié)流口附近出現(xiàn)了很低的負(fù)壓，當(dāng)壓力降到一定程度時，隨之而來的是閃蒸、空化現(xiàn)象。這一現(xiàn)象從圖3所示的調(diào)節(jié)閥某一開度下的速度云圖也可以得到驗證。因此，要改進(jìn)結(jié)構(gòu)，盡量提高負(fù)壓值，減小負(fù)壓區(qū)域，才能夠降低噪聲。閥芯拐角處出現(xiàn)了大的壓力降，此處產(chǎn)生漩渦區(qū)并造成能量損失，減小能量利用率。

圖2 調(diào)節(jié)閥計算流線圖

圖3 調(diào)節(jié)閥計算速度云圖

3、調(diào)節(jié)閥噪聲降低的方法

　　要從根本上消除調(diào)節(jié)閥的噪聲，就應(yīng)該從聲源來進(jìn)行處理，設(shè)計機構(gòu)新穎的低噪聲閥芯，在產(chǎn)生噪聲的地方，把流速和壓差降下來。通常采用如下2種方法。

　　1)設(shè)計迂回通路。在閥芯節(jié)流處設(shè)計隔開的、細(xì)小的迂回通路，這種流路由于介質(zhì)和邊界層的湍流切應(yīng)力作用，形成黏性應(yīng)力，使壓力降的百分?jǐn)?shù)比最大化。

　　2)采用階梯式閥芯結(jié)構(gòu)。設(shè)計多級階梯式閥芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)介質(zhì)流過特殊的閥芯和閥座，使介質(zhì)密度變化，壓力降低，減緩了介質(zhì)流速。這種方法尤其適用于液體易于產(chǎn)生空化的場合。

4、結(jié)語

　　通過調(diào)節(jié)閥的噪聲預(yù)估計算公式的分析，找到了調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生噪聲的原因;同時，通過CFD技術(shù)對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行可視化仿真模擬，找到了噪聲源，并認(rèn)為介質(zhì)在經(jīng)過節(jié)流口時，由于流速、壓降增大，空化和閃蒸現(xiàn)象極易產(chǎn)生，噪聲會明顯增加。本文提供了降低調(diào)節(jié)閥噪聲的2種方法，為今后設(shè)計高性能、低噪聲的調(diào)節(jié)閥提供了有效的思路。