基于大渦模擬的通海閥噪聲分析

桂瞬豐，幸福堂，李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

基于大渦模擬的通海閥噪聲分析

桂瞬豐，幸福堂，李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

基于大渦模擬方法，采用CFX軟件對某型通海閥的噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬分析。選擇大渦模擬中的WALE亞格子模型，運(yùn)用前處理軟件ICEM對通海閥三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)大渦模擬要求和實(shí)際使用情況設(shè)置邊界條件。計(jì)算結(jié)果表明，通海閥低頻噪聲聲能較大，高頻部分所占比重較小，這與實(shí)際相符，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性；相對于工業(yè)企業(yè)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，該閥門噪聲的聲壓級略偏大。

通海閥；噪聲；大渦模擬；Lighthill聲理論；CFX

海水管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲是船舶噪聲的重要組成部分，而管路系統(tǒng)中的閥門又是一個不容忽視的噪聲污染源。閥門噪聲沿管路傳播，構(gòu)成線狀聲源，衰減較慢，傳播距離遠(yuǎn)，影響范圍大，是目前噪聲控制研究領(lǐng)域的一項(xiàng)難題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過求解非穩(wěn)態(tài)流體的控制方程預(yù)測噪聲源以及噪聲傳播成為可能。研究人員不用耗時費(fèi)力來建立物理模型，只需通過系統(tǒng)仿真軟件就能快速評估不同設(shè)計(jì)方案對湍流噪聲的影響[1-2]。CFX軟件是一種實(shí)用流體工程分析工具，用于模擬流體流動、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等問題。CFX具有物理模型豐富、功能強(qiáng)大、故障少、精度高、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，故本文選用CFX軟件近場聲場模型對海水管路系統(tǒng)中的通海閥噪聲進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流噪聲理論

研究表明，空氣在低馬赫數(shù)情況下可以視為和水一樣的不可壓縮流體，低馬赫數(shù)情況下的氣動聲學(xué)方法也可應(yīng)用在水動力聲學(xué)分析上[3]。流體流動噪聲的生成和傳播可通過求解N-S方程[4](式(1))進(jìn)行研究。而直接求解N-S方程很困難，需要兩個不同的求解器分別求解線性噪聲和非線性噪聲部分[5]。Lighthill方程彌補(bǔ)了這個缺陷，其對聲音的產(chǎn)生與傳播分別進(jìn)行求解，但只能用于求解固體邊界不起作用的場合。對Lighthill方程改進(jìn)后，得到考慮運(yùn)動固體界面的FW-H方程，如式(2)所示。

(1)

(2)

1.2 湍流模型

湍流過程的復(fù)雜性和工程計(jì)算的多層次決定了湍流模型的多樣性，閥門流場分析中湍流模型的選擇直接影響到流場求解的精度。本文選用大渦模擬(large eddy simulation，LES)模型。LES通過濾波處理，首先將小于某個尺度的旋渦從流場中過濾掉，只計(jì)算大渦，然后通過求解附加方程得到小渦的解[6]。過濾尺度一般就取為網(wǎng)格尺寸。這種方法比直接求解RANS方程和DNS方程效率更高，消耗系統(tǒng)資源更少，但卻比一般湍流模型方法更精確[7]。濾波后，N-S方程(式(1))變?yōu)椋?/p>

(3)

CFX提供了3種亞格子渦模型：WALE 模型、Smagorinsky模型、Smagorinsky-Lilly模型。WALE模型是一種類似于Smagorinsky模型的代數(shù)模型，但是它克服了Smagorinsky模型的一些缺陷；WALE模型使壁面層流區(qū)幾乎不產(chǎn)生渦黏并且能夠使層流到紊流過渡再現(xiàn)，而且它能夠得到近似于亞格子黏度的壁面距離參數(shù)y+三次方的變量，不需要阻尼函數(shù)。 Smagorinsky-Lilly模型也克服了Smagorinsky模型的一些缺陷，但計(jì)算需要顯式二階過濾，耗時超過代數(shù)模型。因此本文模擬選擇WALE模型。

1.3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

某公司研發(fā)的通海閥三維模型如圖1所示，因?yàn)橹环治隽髟肼?，故抽取?nèi)流道后得到如圖2所示的模型。

通海閥類型為直角式，直徑D=30 mm。為了使模擬時閥門內(nèi)部完全處于流動狀態(tài)，進(jìn)、出口管各延長5D(150 mm)。LES對計(jì)算模型的網(wǎng)格精細(xì)程度要求很高，所以網(wǎng)格劃分比較密。由于六面體網(wǎng)格劃分比較復(fù)雜，且六面體網(wǎng)格各向同性劣于四面體網(wǎng)格，所以本文采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。運(yùn)用前處理軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有關(guān)網(wǎng)格信息如下：全局網(wǎng)格尺寸為4 mm；進(jìn)口、出口網(wǎng)格尺寸為1 mm；邊界層共6層，初始高度為0.1 mm，增長率為20%；壁面整體網(wǎng)格大小為1 mm，考慮到平滑過渡,局部網(wǎng)格設(shè)為0.5 mm。整個計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為653 849，網(wǎng)格總數(shù)為1 764 432。

1.4 求解設(shè)定

根據(jù)大渦模擬的要求，平均CFL(Courant number)值要在0.5～1之間。CFL按式(4)計(jì)算，邊界層網(wǎng)格尺寸按式(5)進(jìn)行判定。

(4)

(5)

大渦模擬下，y+不能太大。當(dāng)網(wǎng)格尺寸確定后，可依據(jù)式(4)反求出時間步長，最后得到具體數(shù)值模擬條件如下：①瞬態(tài)模擬的時間步長Δt=2×10-4s，總時長1.2 s；②流體域設(shè)置為WALE模型，參考壓力為0，初始速度3 m/s，初始壓力3 MPa；③進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度為3 m/s，出口為壓力出口，相對壓力為3 MPa；④壁面為無滑移壁面，表面光滑；⑤離散格式為中央差分格式，殘差標(biāo)準(zhǔn)為1×10-4；⑥內(nèi)存分配系數(shù)為1.2，選擇變量輸出，輸出時間間隔為4Δt。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格分析

圖3是流體域內(nèi)CFL值分布云圖，從圖3可以看出，CFL值的范圍為0.0108～30.81，其中大部分取值在0.0108～3.09之間。通過求解可得整個流體域的平均CFL為0.534，滿足大渦模擬要求。

圖4是y+值分布云圖，從圖4可以看出，y+取值范圍為0～40，除了在壁面接口處稍微偏大外，其余部位的y+平均值為20，滿足計(jì)算要求。

LES過濾尺度一般取為網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格尺寸越小，能夠過濾的尺寸就越小，模擬精確度就越高，當(dāng)然計(jì)算量更大。圖5為模擬時刻t不同時的渦旋圖。從圖5中可以看出，剛開始時，由于水還沒有完全充滿閥門，只產(chǎn)生少量的渦(圖5(a)、圖5(b))；隨著時間的推移，水到達(dá)閥門后繼續(xù)流向出口，渦基本充滿整個管道(圖5(c)),最后渦完全充滿整個管道(圖5(d))。圖5(a)與圖5(b)截取時的時間間隔短，準(zhǔn)確捕捉到了渦從閥門接頭向外遷移的過程，同時也驗(yàn)證了網(wǎng)格精度滿足要求。另外，在圖5(c)和圖5(d)中，受進(jìn)口流速的影響，進(jìn)口端沒有渦產(chǎn)生，這也是為了使渦充滿閥門必須加長管道的原因。

圖5 不同時刻的渦旋分布

Fig.5 Vortex distribution at different points of time

2.2 噪聲分析

通海閥噪聲的產(chǎn)生歸根到底是由于壓力的脈動，因此為了分析管路壓力變化情況，選取4個監(jiān)測點(diǎn)(見圖6)，包括閥門處兩個和進(jìn)出口處各一個，其壓力波動見圖7。

從圖7中可以看出，4個監(jiān)測點(diǎn)處都產(chǎn)生了脈動壓力，但壓力大小不同。閥門主體空腔(監(jiān)測點(diǎn)1)內(nèi)壓力波動最大，閥門柱塞段(監(jiān)測點(diǎn)2)的壓力波動小于閥門主腔處，這是因?yàn)殚y門柱塞段部位不容易產(chǎn)生劇烈湍動，旋渦少。管路出口與外部相連，所以該處壓力波動最小。

利用聲學(xué)相關(guān)公式(式(6)～式(8))通過快速傅里葉變換，將壓力波動轉(zhuǎn)換為聲音-頻率信號。

功率譜密度：

(6)

幅度：

(7)

聲壓級：

(8)

式中：f0、fn為頻率函數(shù)；、為傅里葉函數(shù)；p′(fn)為聲壓，取管路的脈動壓力；pref為參考壓力，對于水pref=1×10-6Pa。4個監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見圖8～圖10。

流噪聲是寬頻噪聲，但受到取樣條件限制，得到的只是一部分頻率。在采樣間隔為4倍時間步長的情況下，得到的噪聲最大頻率為1251Hz左右。因?yàn)槿硕梢月牭?0～20 000 Hz的音頻信號，對1000～8000 Hz的聲音敏感，故選取大于20 Hz的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由圖8和圖9可見，4個監(jiān)測點(diǎn)的功率譜密度和壓力在20～240 Hz之間較大，隨著頻率的增大，其值急劇降低。這表明通海閥噪聲中高頻聲能量所占比重很小。而在實(shí)際中，流噪聲多呈低頻性[8]，這也驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由圖10可見，聲壓級最大值超過160 dB，隨著頻率增大，聲壓級有下降的趨勢，但最小也有40 dB。低頻段，聲壓級下降幅度較大；在700～1200 Hz之間，聲壓級穩(wěn)定在80～100 dB；超過1200 Hz后，聲壓級迅速降至40 dB左右。與工業(yè)企業(yè)環(huán)境噪聲不超過85 dB的要求相比，通海閥噪聲的平均聲壓級偏高。4個監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級接近，可能是由于通海閥幾何尺寸太小(直徑為30 mm,總管長為300 mm)而不足以影響聲壓級的變化。

3 結(jié)語

通過對通海閥噪聲的數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：①通海閥模型的網(wǎng)格劃分精度滿足大渦模擬的要求，保證了后續(xù)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性；②4個監(jiān)測點(diǎn)處的脈動壓力大小不等，但聲壓級卻相差不大；③通海閥噪聲中，低頻聲能量所占比重較大，高頻聲能量所占比重很?。虎芟鄬τ诠ぷ鳝h(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，通海閥噪聲的聲壓級偏大。在允許的條件下，可以通過減小工作壓力從而降低脈動壓力的方法來改善噪聲源。另外在通海閥外部安置隔音裝置也可以減少噪音污染。

現(xiàn)有采用計(jì)算流體動力學(xué)軟件進(jìn)行噪聲模擬的研究中，大多數(shù)針對的都是工作壓力較小的對象，因而不考慮振動噪聲，這在誤差允許范圍內(nèi)是可行的。而當(dāng)工作壓力加大時，機(jī)械振動增強(qiáng)，如果不考慮振動噪聲，計(jì)算誤差就會很大。此次模擬的工作壓力為3 MPa，機(jī)械振動噪聲相對于流致噪聲是否可以忽略還有待進(jìn)一步考證。另外，受數(shù)值方法所限，CFX軟件只能用于近場噪聲模擬，因此本文只能模擬聲源聲場，閥外遠(yuǎn)聲場噪聲的模擬需將瞬態(tài)壓力場數(shù)據(jù)導(dǎo)入商業(yè)聲學(xué)軟件進(jìn)一步分析。

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[責(zé)任編輯 尚 晶]

Noise analysis of a sea suction valve based on LES

GuiShunfeng，XingFutang，LiQunyan

(College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

On the basis of large eddy simulation(LES), the numerical simulation and noise analysis of a sea suction valve was carried out by CFX software.WALE subgrid eddy viscosity model in LES was selected and pre-processing software ICEM was adopted in mesh generation for the 3D model of the sea suction valve. Boundary conditions were set according to the demands of LES and actual usage.Simulation results show that the sound energy of low frequency noise is larger and the high frequency noise accounts for a small proportion of the valve’s noise, which is consistent with the actual situation and verifies the accuracy of the numerical calculation. Compared to the noise standard for industrial enterprise environment, the sound pressure level of the valve’s noise is a little higher.

sea suction valve; noise; LES; Lighthill theory; CFX

2014-11-13

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2010BAB05B02)；國家海軍裝備科研項(xiàng)目(40308).

桂瞬豐(1989-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：gsfgxf@sina.com

幸福堂(1962-)，男，武漢科技大學(xué)教授.E-mail:xft@wust.edu.cn

U661.44

A

1674-3644(2015)02-0129-05