基于声振耦合的球阀振动噪声数值分析.pdf
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1、International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学流体动力学,2023,11(2),27-35 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ijfd https:/doi.org/10.12677/ijfd.2023.112003 文章引用文章引用:万海波,陈二云.基于声振耦合的球阀振动噪声数值分析J.流体动力学,2023,11(2):27-35.DOI:10.12677/ijfd.2023.112003 基于基于声振耦合的球阀振动噪声数值分析声振耦合的球阀振动噪声数
2、值分析 万海波,陈二云万海波,陈二云 上海理工大学能源与动力工程学院,上海 收稿日期:2023年3月31日;录用日期:2023年4月13日;发布日期:2023年6月6日 摘摘 要要 针对蒸汽球阀在工程实践中的噪声问题,本文采用声固耦合的数值模拟方法,研究了球阀的结构模态特针对蒸汽球阀在工程实践中的噪声问题,本文采用声固耦合的数值模拟方法,研究了球阀的结构模态特性以及阀体管道的辐射振动噪声响应问题。研究结果表明:阀后管道内产生的流场最为紊乱,同时该处性以及阀体管道的辐射振动噪声响应问题。研究结果表明:阀后管道内产生的流场最为紊乱,同时该处高速射流对阀体管道的冲击作用最剧烈,从而诱发出更高的振动噪
3、声。阀体管路的前两阶振型为前后管高速射流对阀体管道的冲击作用最剧烈,从而诱发出更高的振动噪声。阀体管路的前两阶振型为前后管段沿着管道的纵向发生的扭动,第段沿着管道的纵向发生的扭动,第3、4阶振型则为前后管段沿着管道的横向发生的扭动及阀体法兰部件阶振型则为前后管段沿着管道的横向发生的扭动及阀体法兰部件的略微振动。阀体管道的振动加速度在轴向上,主要是出口法兰上的声压级值更大,在纵向上,则是进的略微振动。阀体管道的振动加速度在轴向上,主要是出口法兰上的声压级值更大,在纵向上,则是进口法兰的声压级值更大。此外,球阀的开度对于阀门口法兰的声压级值更大。此外,球阀的开度对于阀门声压频谱特性声压频谱特性的的
4、影响较小,主要体现在峰值上的变影响较小,主要体现在峰值上的变化,其最大声压级值为化,其最大声压级值为80%开度时开度时3000 Hz下的下的76.5 dB。关键词关键词 蒸汽球阀蒸汽球阀,结构模态结构模态,数值模拟数值模拟,声振耦合声振耦合,辐射噪声辐射噪声 Numerical Analysis of Vibration and Noise of Ball Valve Based on Acoustic Vibration Coupling Haibo Wan,Eryun Chen School of Energy and Power Engineering,University of Sha
5、nghai for Science and Technology,Shanghai Received:Mar.31st,2023;accepted:Apr.13th,2023;published:Jun.6th,2023 Abstract Aiming at the noise problem of steam ball valves in engineering practice,this paper adopts the acoustic solid coupling numerical simulation method to study the structural modal cha
6、racteristics of ball valves and the radiation vibration noise response of valve bodies and pipes.The research results show that the flow field generated in the pipeline behind the valve is the most turbulent,万海波,陈二云 DOI:10.12677/ijfd.2023.112003 28 流体动力学 and the impact of high-speed jets on the valv
7、e body pipeline is the most severe,resulting in higher vibration and noise.The first two vibration modes of the valve body pipeline are the twisting of the front and rear pipe sections along the longitudinal direction of the pipeline,while the third and fourth vibration modes are the twisting of the
8、 front and rear pipe sections along the trans-verse direction of the pipeline and the slight vibration of the valve body flange components.The vibration acceleration of the valve body pipeline in the axial direction is mainly due to the higher sound pressure level value on the outlet flange,while in
9、 the longitudinal direction,it is due to the higher sound pressure level value on the inlet flange.In addition,the opening degree of the ball valve has a small impact on the valve sound pressure spectrum characteristics,mainly reflected in the change in peak value,with the maximum sound pressure lev
10、el being 76.5 dB at 3000 Hz at 80%opening degree.Keywords Steam Ball Valve,Structural Mode,Numerical Simulation,Acoustic Vibration Coupling,Radiated Noise Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).
11、http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 球阀作为一种结构部件,在实际工程当中得到了广泛的应用,在流动工质输送过程中起着至关重要的调节作用。但随着工业日益发达,由此而产生的若干问题,亦亟待解决。其中,阀门产生的噪声污染是一大难题 1,因而如何解决好阀门的振动和噪声问题就显得格外的重要。在球阀声振特性的研究中,徐号钟 2对研究的是阀门的声学共振特性,同时在对比分析声场结果后,表明了阀门声学共振特性对流动噪声的重要影响。吴石 3在研究了不同阀内的流场特性后,发现了阀门噪声的主要声源是来自于其内部的涡旋。许玮键 4在对截止阀进行了流场模拟研究后
12、,发现了阀内的流场漩涡是导致辐射噪声的关键因素。肖飞 5针对笼套式节流阀气动噪声问题进行了研究,研究发现,流体在阀芯的节流部位流动时,会产生超音速射流,再与间隙结构混合,碰撞,使流场更加混乱,由此产生强烈噪声。王翊 6针对船用截止阀进行了研究,研究了蒸汽管路系统中阀所引起的噪音。采用大涡模拟方法对阀门附近流场和声场进行数值计算。研究表明:涡流主要位于蒸汽管道阀门的下游,这里涡强度较大,蒸汽湍流运动强烈,是引起阀门噪声较大的部位,并且涡流噪声主要集中于低中频段。刘兆领 7使用数值模拟的方法对内缩型平衡阀在多个工况下的特性进行了模拟分析,同时结合了试验的研究对比,结果表明:最大噪声和流速的变化规律
13、相似,这说明了两者之间有很大的影响。李新一 8从共振角度出发,模拟计算了调节阀的结构模态及声学模态,并由此对调节阀辐射外声场进行声振耦合,研究阀门的噪声特性。王炜哲 9采用对三维 N-S 方程求解的方法,研究了超临界汽轮机主汽阀及调节阀系统流量及噪声特性。通过对流道内蒸汽的流场参数及噪声源振幅分布情况进行分析,研究发现,主蒸汽阀与调节阀喉部位置及阀室流动死区因为涡度大,是气动噪声源。黄皓 10确定在研究了电子膨胀阀后,发现阀口和阀后管出口段是主要的噪声源区,且主要是由高速湍流引起。Wang 11使用雷诺平均 N-S 方程的计算方法,分析出阀门的辐射噪声主要是由阀内的不规则湍流而导致的。Kam
14、12、Baumann 13、Wilson 14对控制阀噪声的成因进行了研究,指出控制阀噪声源于节流阀压降,但是声能量耗散在压力损失能量中所占比例很小。Manfred Koberstein 15采用实验测量发现:受腔体声固耦合影响,气流在膨胀阀与管道连接处流动时会增强噪声。Open AccessOpen Access万海波,陈二云 DOI:10.12677/ijfd.2023.112003 29 流体动力学 目前,对于球阀的研究主要都是分析阀内的蒸汽流经阀芯节流口处时由于急速的湍流而产生的噪声,然后对于由高速的射流冲击壁面导致阀件和管道而产生的机械振动噪声却少有研究。因此,本文采用声固耦合的模拟
15、仿真方法,以蒸汽球阀作为研究对象,在对其进行内部流场计算之后,对其结构进行模态分析,并基于此对阀体管路的辐射振动噪声进行研究。2.控制方程控制方程 2.1.流动控制方程流动控制方程 应用于蒸汽管路系统中的蒸汽球阀内的流体运动遵循连续性方程、动量方程与能量方程 16。连续性方程:()0iiutx+=(1)动量守恒方程:()()ijijiijju uuftxx+=+(2)其中:2ijijijijkkijpsp=(3)()12jiijjiuuSxx=+(4)能量方程:()()TpTkdivVTdivgradTStC+=+(5)式中,是流体介质密度;P 为压力;t 为时间;T 为温度;Cp为工质定压比
16、热容;k 为导热系数;ST为流体内热源。2.2.声学计算声学计算方程方程 声音作用于结构上的声压载荷可以看作是附加的法相载荷,结构模型的动力学方程为:()2aacaiisiKj CMuKpF+=式中,Ks、Ms和 Cs分别为结构网格上没有受到约束部分的刚度矩阵、质量矩阵与阻尼矩阵,Kc为耦合刚度矩阵,iu为未知结构振速,ip为未知节点声压,siF为结构激励载荷,为声波的圆频率。在流体与结构耦合的位置处,由于结构法线方向的振动速度与流体的振动速度相同,这样在边界处,结构的振动速度可以看做是声音的附加速度输入,这时的声学方程为:()22aaaiiicaKj CMpMuF+=式中,Mc为耦合质量矩阵
17、,Fai为激励载荷。pi为求解的网格节点声压;(Ka+jCa 2Ma)为方程矩阵,稀疏矩阵。2000000ScSSisiTaaaiaiKKCuFjKCKPMFM+=万海波,陈二云 DOI:10.12677/ijfd.2023.112003 30 流体动力学 将非定常激励力加载到固液交界面上,可以根据上述结构和流体相互耦合的离散化矩阵方程可以得到结构表面上任意节点处的振速和声压。3.结构模型结构模型 本文以 DN50V 型蒸汽球阀为研究对象其主要的部件包括有阀芯、阀杆和阀体等,关于球阀的使用结构相关参数,见表 1。Table 1.Valve body pipe structure model p
18、arameters 表表 1.阀体管道结构模型参数 项目 数值 入口公称直径 D1=50 mm 出口公称直径 D2=52 mm 流体介质 饱和水蒸汽 阀体材质 结构钢 上下游管道 5D1/10D2 4.数值计算数值计算 4.1.网格划分及无关性验证网格划分及无关性验证 Figure 1.Grid of the flow channel 图图 1.流道网格划分 Figure 2.Grid independent verification 图图 2.网格无关性检验 当蒸汽在球阀管内流动时,需要足够的管长来使得蒸汽能够均匀流动,同时为了保障阀后的流动能够得到充分的发展,因此对球阀进、出口分别添加长度
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