DN65通海閥聲學(xué)特性分析

　　以典型DN65通海閥為對(duì)象，采用數(shù)值仿真的手段，對(duì)通海閥聲學(xué)現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析研究。同時(shí)，利用LMS振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比分析仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，證明了仿真計(jì)算的可信性和正確性。

　　通海閥作為管路系統(tǒng)的重要組成部分，除了其自身流體控制功能外，還是管路系統(tǒng)的噪聲源之一，對(duì)系統(tǒng)流噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲均有明顯的影響。當(dāng)流體通過(guò)閥門時(shí)，其流動(dòng)狀況發(fā)生激烈的變化；由于閥板的節(jié)流作用，流體在閥門前后激烈地混攪、沖擊，同時(shí)壓力也有劇烈的變化。從流體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解釋，流體在閥前具有較高的壓力勢(shì)能，通過(guò)閥門時(shí)，流體加速，使勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能；同時(shí)有一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷�，以噪聲的形式輻射出�?lái)。大多數(shù)情況下，閥門下游的噪聲比上游更強(qiáng)烈。

　　本文以典型DN65通海閥為研究對(duì)象，通過(guò)流體動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)有限元分析等技術(shù)手段，對(duì)DN65通海閥的流體性能、流動(dòng)噪聲性能進(jìn)行研究。同時(shí)，利用LMS振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比分析仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，證明了仿真計(jì)算的可信性和正確性。

1、流場(chǎng)特性分析

　　以典型DN65通海閥為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件中FLUENT[8,9]對(duì)閥件內(nèi)部流道的流動(dòng)特性和噪聲特性進(jìn)行分析。流場(chǎng)分析過(guò)程中，流體為不可壓縮的牛頓流體。流體密度：1025 kg/m3；動(dòng)力粘度：0.001 054 kg/m·s。根據(jù)實(shí)際工作狀況，DN65通海閥的過(guò)流量約為20m3/h，按照雷諾數(shù)計(jì)算公式Re = ρ∙v∙lμ，DN65通海閥的雷諾數(shù)約為72 409，遠(yuǎn)大于2300，因此，通海閥內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)均為湍流，故選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。分析時(shí)，設(shè)定通海閥入口為速度入口，出口為自由出流，壁面邊界為靜止壁面。

　　分析步驟為：對(duì)通海閥建立模型→對(duì)模型劃分網(wǎng)格→將網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT軟件→設(shè)定計(jì)算邊界條件→計(jì)算求解→查看結(jié)果。

　　1.1、DN65 通海閥聲學(xué)現(xiàn)狀仿真分析

　　按照實(shí)際工作工況，對(duì)該閥的分析為由底部進(jìn)水、側(cè)部出水和由側(cè)部進(jìn)水、底部出水兩種工況。首先對(duì)通海閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算收斂后，給出不同方案縱截面的速度分布、壓力分布和聲功率級(jí)分布，如圖1～圖6所示。

　　由圖1～圖6可知，當(dāng)流體流至閥內(nèi)時(shí)，壓力值較大，速度值較低，隨著過(guò)流面積的減小和流動(dòng)阻力，壓力減小，速度增大。DN65通海閥最大噪聲均出現(xiàn)在喉頸部，差別在于底部進(jìn)水時(shí)最大噪聲出現(xiàn)在喉頸部靠閥壁側(cè)，側(cè)部進(jìn)水時(shí)最大噪聲出現(xiàn)在喉頸部靠閥桿側(cè)，且側(cè)部進(jìn)水時(shí)在閥盤肩部外側(cè)區(qū)域噪聲較大。

圖1 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面壓力分布

圖2 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面速度分布

圖3 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

圖4 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面壓力分布

圖5 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面速度分布

圖6 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

　　1.2、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

　　采用FLUENT對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，提取不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)壁面的脈動(dòng)壓力，將脈動(dòng)壓力作為激勵(lì)力，施加在通海閥的結(jié)構(gòu)有限元模型中，在ANSYS中計(jì)算通海閥的振動(dòng)響應(yīng)，并分析振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。三種規(guī)格通海閥結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 DN125 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總形變?cè)茍D

圖8 DN100 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

圖9 DN65 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

　　由圖7～圖9可看出，通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果顯示閥體內(nèi)響應(yīng)極值出現(xiàn)在閥腔上部，而位移在閥腔上部和下部的一些位置都處于較高水平。閥體的流速和噪聲的極值都出現(xiàn)在出水口后的湍流部分。另外，從量級(jí)來(lái)看，結(jié)構(gòu)的變形值在10-8m左右，相對(duì)于閥體壁厚10-2m，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變形值為極小值可以忽略，即從聲學(xué)上來(lái)講，流體脈動(dòng)對(duì)閥體的激勵(lì)引起的噪聲可以忽略。

　　1.3、模態(tài)分析

　　為了比較仿真分析的結(jié)果與實(shí)際差異，考核驗(yàn)證DN65通海閥的聲學(xué)特性。通過(guò)搭建DN65通海閥的測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，利用LMS振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試儀器及測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖10～圖12。測(cè)試后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，提取前10階模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼如表1所示。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖11 測(cè)試儀器照片

圖12 測(cè)試過(guò)程照片

表1 DN65 通海閥模態(tài)測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)在ANSYS 軟件中設(shè)置材料屬性參數(shù)泊松比(0.36)、密度(8.5t/m3)、楊氏模量(102GPa)等后進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。圖13為DN65通海閥模態(tài)分析結(jié)果。

圖13 DN65 通海閥模態(tài)分析結(jié)果

　　由于仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試不可避免的差異性，且模態(tài)分析時(shí)一階模態(tài)頻率是結(jié)構(gòu)分析的主要關(guān)心值，試驗(yàn)測(cè)得一階固有頻率為704.4Hz，仿真分析一階固有頻率為645.3Hz，兩者的差異約在8.4%，因此，可以證明仿真分析的結(jié)果是正確可信的。

2、結(jié)論

　　從計(jì)算出的通海閥初步分析結(jié)果可知:節(jié)流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴(yán)重，說(shuō)明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產(chǎn)生噪聲的主要因素。

　　當(dāng)流體流經(jīng)閥門時(shí)產(chǎn)生的能量損失主要是流動(dòng)收縮引起的能量損失，漩渦的旋轉(zhuǎn)要產(chǎn)生能量損失，流動(dòng)的擴(kuò)張要產(chǎn)生能量損失。同時(shí)由于湍流的作用和漩渦的出現(xiàn)使海水管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲增大。對(duì)海水管路系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大的負(fù)面影響。

　　流體通過(guò)閥芯節(jié)流口時(shí)，由于過(guò)流斷面面積突然減小，則流速增大，壓力減小。而且，產(chǎn)生流動(dòng)脈動(dòng)的原因是由于速率的變化而不是速率的大小。同時(shí)由于每一個(gè)彎頭、斷面突擴(kuò)或突縮都會(huì)引起局部壓力損失，出口處的壓力要比入口處小。節(jié)流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴(yán)重，說(shuō)明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產(chǎn)生噪聲的主要因素。所以流體流過(guò)閥門時(shí)，應(yīng)控制其壓力降不要太大,一般應(yīng)大大低于該流體的臨界壓力比。