陳珉芮，金志江，錢(qián)錦遠(yuǎn)

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027)

引言

蒸汽作為一種重要的介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，減壓閥常用作調(diào)節(jié)蒸汽壓力。由于減壓閥的節(jié)流作用，蒸汽流經(jīng)減壓閥時(shí)壓力降低，湍動(dòng)程度增加，易引發(fā)劇烈的氣動(dòng)噪聲。根據(jù)人耳的特點(diǎn)，當(dāng)噪聲高于100 dB時(shí)，人體會(huì)感到不適[1]，長(zhǎng)期處于巨大的噪聲中，操作人員身心都將受到損害[2]，不但影響工作效率還會(huì)增加工作的安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于閥門(mén)氣動(dòng)噪聲及降噪方法，許多研究人員進(jìn)行了大量研究，其中數(shù)值模擬是一種成本低、效率高的研究方法，運(yùn)用較多的有雷諾時(shí)均算法、大渦模擬和聲類(lèi)比方法等，為研究噪聲誘因，分析噪聲分布規(guī)律以及提出有效降噪措施提供了參考[3-7]。研究表明，改進(jìn)減壓閥的結(jié)構(gòu)，可使減壓閥噪聲得到明顯降低[8-10]。此外，針對(duì)減壓閥所處的管路，對(duì)管路內(nèi)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，從不同的原理出發(fā)，也可得到降低閥門(mén)與管路整體氣動(dòng)噪聲的有效方法[11-15]。

在前人的研究中，將具有節(jié)流功能的孔板設(shè)置于減壓閥后，可有效降低蒸汽在減壓閥中的氣動(dòng)噪聲。本研究將對(duì)設(shè)置于直角形多級(jí)套筒式減壓閥后的球形孔板進(jìn)行研究，分析球形孔板的設(shè)置方向與錐角對(duì)降噪效果的影響。

1 幾何模型

在減壓閥后設(shè)置降噪孔板是一種有效的降噪方式，多孔平板具有經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，降噪效果優(yōu)良的特點(diǎn)。為優(yōu)化孔板的降噪效果，本研究對(duì)球形孔板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對(duì)蒸汽流動(dòng)及噪聲的影響。此外，將多孔平板對(duì)蒸汽流動(dòng)及噪聲的影響作為對(duì)比，以多孔平板為例，幾何參數(shù)如圖1所示，小孔沿環(huán)狀分布，孔徑為10 mm，相鄰的小孔中心圓間距為17.5 mm，厚度為30 mm。

圖1 孔板幾何參數(shù)

如圖2a所示，球形孔板的小孔直徑與多孔平板一致，小孔呈環(huán)狀分布，且相鄰兩層小孔軸線(xiàn)夾角相等。當(dāng)球形降噪孔板的錐角不同時(shí)，流體流動(dòng)情況不同，因此對(duì)錐角范圍為30°～180°的球形孔板進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖2所示。小孔軸線(xiàn)的夾角隨錐角發(fā)生變化，如表1所示。

表1 球形孔板小孔軸線(xiàn)夾角 (°)

圖2 球形孔板

將不同的降噪孔板設(shè)置于開(kāi)度為50%的直角形多級(jí)套筒式減壓閥的下游，分別建立流道的幾何模型。由于流道為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，只需建立流道幾何模型的一半。由于流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用混合網(wǎng)格對(duì)流道模型進(jìn)行離散，即在閥芯套筒和降噪孔板處運(yùn)用四面體網(wǎng)格，其余運(yùn)用六面體網(wǎng)格，在流道的壁面處合理設(shè)置邊界層，如圖3所示。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，通過(guò)多次驗(yàn)證得出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于2.4×106時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果不再發(fā)生明顯變化。

圖3 流道模型的網(wǎng)格劃分

2 邊界條件與數(shù)值方法

溫度為450 ℃，壓力為10 MPa(絕壓)的過(guò)熱蒸汽作為流動(dòng)介質(zhì)，依次通過(guò)減壓閥和降噪孔板，在出口處壓力降至1 MPa(絕壓)。因此，流道的入口設(shè)置為壓力入口，壓力為10 MPa(絕壓)，同時(shí)，溫度設(shè)為450 ℃；出口設(shè)置為壓力出口，壓力為1 MPa(絕壓)；對(duì)稱(chēng)面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件；其余邊界均設(shè)置為壁面。

在上述壓力條件下，過(guò)熱蒸汽流速較高，可壓縮性不能忽視。根據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值方法[3]，數(shù)值模擬采用基于密度的穩(wěn)態(tài)求解器，過(guò)熱蒸汽的密度采用理想氣體模型?？刂品匠滩捎脴?biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解。此外，采用寬頻噪聲模型模擬流道中流體氣動(dòng)噪聲的聲源情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 球形孔板設(shè)置方向的影響

如圖4所示，將球形孔板設(shè)置于流道中時(shí)，分為球冠頂部向上和球冠頂部向下兩種方向。以錐角為180°的球形孔板為例，研究球形孔板的設(shè)置方向?qū)翟胄Ч挠绊?，同時(shí)將多孔平板作為對(duì)照。

圖4 不同方向的孔板

當(dāng)球形孔板的設(shè)置方向不同時(shí)，過(guò)熱蒸汽的流動(dòng)會(huì)受到影響。

如圖5所示，由于減壓閥中套筒小孔的節(jié)流作用，過(guò)熱蒸汽的最大流速出現(xiàn)在閥芯套筒的小孔處，最大速度大于850 m/s。過(guò)熱蒸汽流過(guò)減壓閥后，在閥體后腔匯聚并形成速度較高的流動(dòng)。

圖5 孔板設(shè)置方向不同時(shí)流體的流動(dòng)情況

作為對(duì)照，首先分析降噪孔板為多孔平板時(shí)，過(guò)熱蒸汽的流動(dòng)情況。如圖5a所示，當(dāng)降噪孔板為多孔平板時(shí)，孔板下方的最大流速大于850 m/s。過(guò)熱蒸汽在孔板處受到節(jié)流，因此在孔板上方的閥體后腔中，介于高速流邊界與流道壁面的空間內(nèi)，形成了漩渦。流經(jīng)降噪孔板后，位于流道中心的過(guò)熱蒸汽垂直于孔板流向出口，而位于流道邊緣的過(guò)熱蒸汽則先向流道中心輕微收縮，然后向流道壁面擴(kuò)散。因此，降噪孔板下方靠近流道壁面處，過(guò)熱蒸汽形成了較小的漩渦。

如圖5b所示，當(dāng)球形孔板向上設(shè)置時(shí)，最大流速出現(xiàn)在小孔的內(nèi)部，最大流速大于850 m/s。同樣地，過(guò)熱蒸汽在閥體后腔中，介于高速流邊界與流道壁面的空間內(nèi)形成漩渦。向上設(shè)置的球形孔板減小了閥體后腔的空間，漩渦的旋流程度比多孔平板更高。球形孔板向上設(shè)置時(shí)，小孔的軸線(xiàn)向下游流道中心匯聚，因此在孔板下方，過(guò)熱蒸汽以較高的流速向流道中心匯聚，形成高速射流。在高速射流邊界與流道壁面的空間內(nèi)，過(guò)熱蒸汽形成了尺寸較大的漩渦。

如圖5c所示，當(dāng)球形孔板向下設(shè)置時(shí)，孔板處的最大流速出現(xiàn)在小孔的下方，最大流速小于700 m/s，說(shuō)明向下設(shè)置的球形孔板能減小最大流速。在閥體后腔中，過(guò)熱蒸汽在介于高速流邊界與流道壁面的空間內(nèi)也會(huì)形成漩渦，向下設(shè)置的球形孔板增大了閥體后腔的空間，使得漩渦的旋流程度比多孔平板更低。球形孔板向下設(shè)置時(shí)，小孔的軸線(xiàn)向上游流道中心匯聚，因此在孔板下方，過(guò)熱蒸汽呈發(fā)散狀向下游流動(dòng)，此時(shí)流動(dòng)更均勻，不形成漩渦。

當(dāng)球形孔板的設(shè)置方向不同時(shí)，降噪孔板對(duì)流道內(nèi)的聲功率級(jí)分布有明顯影響。

如圖6所示，與多孔平板相比，球形孔板的設(shè)置方向?qū)﹂y體后腔及降噪孔板下游聲功率級(jí)的分布有顯著影響。如圖6b所示，當(dāng)球形孔板向上設(shè)置時(shí)，閥體后腔最大聲功率級(jí)位于球形孔板上表面靠近流道壁面處，且最大值大于160 dB，高于多孔平板?？装宄隹谔幝暪β始?jí)的最大值高于180 dB，與多孔平板相近，但最大聲功率級(jí)的分布范圍較小。在孔板的下游，聲功率級(jí)明顯高于多孔平板的下游，對(duì)比圖5b可以發(fā)現(xiàn)，孔板下游聲功率級(jí)較高的區(qū)域與下游過(guò)熱蒸汽形成大尺寸漩渦的區(qū)域一致。如圖6c所示，當(dāng)球形孔板向下設(shè)置時(shí)，閥體后腔最大聲功率級(jí)分布于閥體后腔的中心部位，且最大值大于160 dB，高于多孔平板?？装宄隹谔幝暪β始?jí)的最大值略小于多孔平板。在孔板的下游，聲功率級(jí)的分布呈向下的弧形，聲功率級(jí)較高的區(qū)域沿流道延續(xù)的距離較短。

圖6 孔板設(shè)置方向不同時(shí)流道對(duì)稱(chēng)面聲功率級(jí)分布

為進(jìn)一步分析當(dāng)球形孔板的設(shè)置方向不同時(shí)流道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲，將閥體后腔、孔板區(qū)域及孔板下游區(qū)域流道截面上的聲功率級(jí)平均值L(ω)繪制成曲線(xiàn)圖，如圖7所示。在圖7中，兩條虛線(xiàn)之間為孔板區(qū)域，左側(cè)為閥體后腔，右側(cè)為孔板下游區(qū)域。從圖7可看出，在閥體后腔，流道截面的聲功率級(jí)在球形孔板向上設(shè)置時(shí)最低，在球形孔板向下設(shè)置時(shí)最高。在孔板區(qū)域，當(dāng)降噪孔板為多孔平板時(shí)，流道截面聲功率級(jí)的最大值遠(yuǎn)高于球形孔板；同樣是球形孔板，當(dāng)其向上設(shè)置時(shí)的聲功率級(jí)最大值略低于向下設(shè)置。在孔板下游區(qū)域，多孔平板和向下設(shè)置的球形孔板的流道內(nèi)截面聲功率級(jí)的變化較一致，均為先迅速降低，后降低的趨勢(shì)較為平緩。當(dāng)二者的下降趨勢(shì)較劇烈時(shí)，兩條曲線(xiàn)基本平行，且多孔平板的聲功率級(jí)低于向下設(shè)置的球形孔板。在聲功率級(jí)的降低趨勢(shì)較為平緩的區(qū)域，向下設(shè)置的球形孔板的聲功率級(jí)比多孔平板下降得更快，因此，在坐標(biāo)1690 mm后，向下設(shè)置的球形孔板的截面聲功率級(jí)平均值小于圓形開(kāi)孔平板。當(dāng)球形孔板向上設(shè)置時(shí)，孔板下游區(qū)域的截面聲功率級(jí)平均值沿流道逐漸降低，降低趨勢(shì)無(wú)明顯變化，且聲功率級(jí)始終大于圓形開(kāi)孔平板和向下設(shè)置的球形孔板。根據(jù)魏琳[3]的研究，角式減壓閥下游的噪聲高于其他方向，向下設(shè)置的球形孔板有利于降低下游的噪聲，同時(shí)結(jié)合其最大聲功率級(jí)小于多孔平板，說(shuō)明向下設(shè)置的球形孔板具有較好的降噪效果。

圖7 孔板設(shè)置方向不同時(shí)流道截面聲功率級(jí)平均值

3.2 球形孔板錐角的影響

從3.1節(jié)中可以看出，向下設(shè)置的球形孔板更有利于減壓閥的降噪，因此，將進(jìn)一步對(duì)向下設(shè)置的不同錐角的球形孔板進(jìn)行研究，分析球形孔板的錐角對(duì)降噪效果的影響。

如圖8所示，分析過(guò)熱蒸汽在不同錐角的球形孔板流道中的流動(dòng)情況。可以看出，不同錐角的球形孔板對(duì)過(guò)熱蒸汽在閥體后腔內(nèi)的流動(dòng)情況影響較小，對(duì)過(guò)熱蒸汽在孔板區(qū)域和孔板下游區(qū)域的流動(dòng)的影響較為明顯。在孔板區(qū)域，過(guò)熱蒸汽的最大流速出現(xiàn)在中心部分的小孔后方，隨著球形孔板錐角的增大，孔板區(qū)域的最大流速逐漸減小。在孔板的下游區(qū)域，當(dāng)球形孔板的錐角為30°時(shí)，過(guò)熱蒸汽在流道中心的流速較大，周?chē)牧魉佥^小，隨著錐角的增大，流道中心高速流的范圍逐漸減小。當(dāng)錐角大于120°時(shí)，孔板下游內(nèi)過(guò)熱蒸汽流速較高的區(qū)域?yàn)榱鞯辣诿嫣?，隨著錐角的增大，流道壁面處的高速流范圍逐漸增大。當(dāng)球形孔板錐角為30°時(shí)，過(guò)熱蒸汽在孔板后方靠近流道邊界處形成漩渦，隨著錐角的增大，漩渦逐漸減小；當(dāng)錐角大于90°時(shí)，過(guò)熱蒸汽在孔板后方不再形成漩渦。從以上分析可以看出，球形孔板的錐角較大時(shí)，有利于減小過(guò)熱蒸汽在降噪孔板處的最大流速。此外，當(dāng)錐角為90°時(shí)，孔板下游區(qū)域既沒(méi)有中心的高速流動(dòng)區(qū)域，也沒(méi)有流道壁面的高速流動(dòng)區(qū)域，此時(shí)流動(dòng)是最均勻的。

為進(jìn)一步分析球形孔板的錐角對(duì)過(guò)熱蒸汽在流道中氣動(dòng)噪聲的影響，將閥體后腔、孔板區(qū)域及孔板下游區(qū)域流道截面上的聲功率級(jí)平均值繪制成曲線(xiàn)圖，如圖9所示。從圖9可看出，在閥體后腔內(nèi)，聲功率級(jí)的各曲線(xiàn)基本重合；而在孔板區(qū)域內(nèi)，聲功率級(jí)曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)差別，不同錐角的球形孔板的聲功率級(jí)最大值均小于多孔平板，且最大值隨著錐角的增大而減小。

在孔板的下游區(qū)域，不同的錐角條件下，流道截面的聲功率級(jí)均逐漸下降，隨著流道遠(yuǎn)離孔板區(qū)域，平均聲功率級(jí)的下降趨勢(shì)逐漸平緩。從圖9中還可以看出，當(dāng)流道截面距離孔板區(qū)域足夠遠(yuǎn)時(shí)(坐標(biāo)大于1700 mm)，球形孔板的平均聲功率級(jí)均小于多孔平板，值得注意的是，在此區(qū)域內(nèi)同一坐標(biāo)上的平均聲功率級(jí)隨著球形孔板錐角的增大先減小后增大，當(dāng)錐角為90°時(shí)，孔板下游區(qū)域的聲功率級(jí)平均值最小，由于角式減壓閥下游方向的噪聲比其他方向更大，因此，錐角為90°的球形孔板的降噪效果較優(yōu)。

4 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法，對(duì)設(shè)置于開(kāi)度為50%的直角形多級(jí)套筒式減壓閥后的球形孔板進(jìn)行研究，分析了球形孔板的設(shè)置方向及錐角對(duì)降噪效果的影響。在研究過(guò)程中，球形孔板有向上和向下兩種設(shè)置方向，其錐角的范圍為30°～180°。通過(guò)對(duì)過(guò)熱蒸汽在流道中的流動(dòng)情況及聲功率級(jí)的分析，可得到以下結(jié)論：

(1) 過(guò)熱蒸汽的最大聲功率級(jí)發(fā)生在孔板區(qū)域，與多孔平板相比，球形孔板可降低聲功率級(jí)的最大值，但當(dāng)球形孔板向上設(shè)置時(shí)，孔板后方的聲功率級(jí)較高，且較高的聲功率級(jí)能延續(xù)到下游，不利于降低噪聲，而球形孔板向下設(shè)置時(shí)，可有效提高孔板的降噪效果；

(2) 對(duì)于向下設(shè)置的球形孔板，不同的錐角對(duì)過(guò)熱蒸汽的流動(dòng)和氣動(dòng)噪聲情況也有影響，在孔板區(qū)域，過(guò)熱蒸汽的最大流速發(fā)生在孔板后方的流道中心處，隨著錐角的增大，過(guò)熱蒸汽的最大流速逐漸減小，孔板下游區(qū)域內(nèi)，過(guò)熱蒸汽在流道壁面處的流動(dòng)速度隨錐角的增大而增大，當(dāng)球形孔板的錐角為90°時(shí)，孔板下游區(qū)域沒(méi)有高速流區(qū)域，此時(shí)的流動(dòng)最均勻，孔板區(qū)域平均聲功率級(jí)的最大值隨球形孔板錐角的增大而降低，而在距孔板較遠(yuǎn)的下游流道中，平均聲功率級(jí)隨著錐角先減小后增大，當(dāng)錐角為90°時(shí)，平均聲功率級(jí)最小。

綜合以上分析可以看出，將錐角為90°的球形孔板向下設(shè)置于減壓閥后，降噪效果最好。本研究的工作可為降低減壓閥的氣動(dòng)噪聲和相關(guān)形式的孔板設(shè)計(jì)等提供一定的參考借鑒。