廖 靜，郝嬌山，劉柏圻，楊恒虎，王偉波

（1.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 技術(shù)中心調(diào)節(jié)閥研究所，重慶 400707；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

偏心旋轉(zhuǎn)閥作為煤氣化裝置中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)閥，在氣化爐升壓、泄壓、保壓運(yùn)行、停車放空及氮?dú)庵脫Q的工藝操作環(huán)境中，承擔(dān)著背壓調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)壓力、安全放空等重要作用[1]。但其在功能實(shí)現(xiàn)過程中可能產(chǎn)生的噪聲不僅對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，還會(huì)影響閥門本身性能，同時(shí)，伴隨噪聲產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)將造成相鄰管路和設(shè)備疲勞損傷，甚至可能導(dǎo)致安全事故，該閥門的高噪聲問題在煤氣化領(lǐng)域日益受到關(guān)注[2]。因此，研究偏心旋轉(zhuǎn)閥氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)噪聲控制的重要基礎(chǔ)。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)能力的大幅提高以及計(jì)算流體力學(xué)和工程聲學(xué)軟件開發(fā)日益成熟，國內(nèi)外學(xué)者在閥門氣動(dòng)噪聲問題上進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研究。氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬方法主要有氣動(dòng)聲學(xué)方法（簡(jiǎn)稱CAA）、萊特希爾聲類比方法（Lighthill 聲類比）和混合計(jì)算方法（Hybrid Method）[3]。Wei 等[4]采用基于寬帶噪聲源模型的直接模擬方法對(duì)高參數(shù)減壓閥的內(nèi)部流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，確定了射流產(chǎn)生的渦流和激波的交替形成和脫落是氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要原因。孟令雅等[5]采用直接模擬方法和混合模擬方法計(jì)算氣流流過球閥產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，結(jié)果表明閥門的噪聲源為偶極子聲源和四極子聲源。徐號(hào)鐘等[6]采用基于Lighthill 聲類比模型的CFD/CAA 多步驟混合計(jì)算方法對(duì)截止閥腔內(nèi)氣動(dòng)聲學(xué)共振特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了閥門腔內(nèi)聲共振特性對(duì)噪聲的影響，以及小孔消聲裝置對(duì)閥門內(nèi)流動(dòng)聲源的控制效果。孫長周等[7]通過Lighthill 聲類比方法計(jì)算得到某型號(hào)流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)壁面處的聲壓，通過聲振模型獲得閥門外部聲場(chǎng)以及外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線。綜上所述，閥門氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬大多采用基于Lighthill聲類比模型的混合計(jì)算方法，該模型對(duì)于低馬赫數(shù)氣動(dòng)噪聲的計(jì)算效果較好，但對(duì)于偏心旋轉(zhuǎn)閥的高馬赫數(shù)氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬需采用考慮了聲源區(qū)域流體的可壓縮性和聲輻射區(qū)域流體的對(duì)流效應(yīng)的M?hring 聲類比模型。該模型已應(yīng)用于在發(fā)動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)的噪聲預(yù)測(cè)[8－9]，但有關(guān)其在閥門領(lǐng)域中的應(yīng)用文獻(xiàn)較少。

鑒于此，本文選取煤氣化裝置中用于合成氣洗滌塔高壓差壓力調(diào)節(jié)的偏心旋轉(zhuǎn)閥為研究對(duì)象，按照實(shí)際工況參數(shù)建立偏心旋轉(zhuǎn)閥及附屬管道的有限元分析模型，應(yīng)用ANSYS Fluent 2020 R2 流體仿真軟件和MSC Actran 15.0 聲學(xué)仿真軟件開展聲流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算。通過Conval 11.0閥門選型軟件求解氣動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)值，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性。采用加裝降噪孔板、減小流量和增大進(jìn)口壓力的降噪措施研究噪聲控制機(jī)理，并為偏心旋轉(zhuǎn)閥的高噪聲問題提供合理的降噪設(shè)計(jì)方案。

1 多步驟混合計(jì)算方法

本文采用多步驟混合計(jì)算方法開展偏心旋轉(zhuǎn)閥氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬計(jì)算，應(yīng)用ANSYS Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件中的SST-DDES模型進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，獲得壓力、速度、密度等流場(chǎng)信息，然后通過MSC Actran聲學(xué)軟件的M?hring聲類比模型將流場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)噪聲源，通過網(wǎng)格映射將平均流場(chǎng)信息、氣動(dòng)聲源和湍流壁面壓力映射到聲場(chǎng)流體域網(wǎng)格上，并采用傅里葉變換進(jìn)行時(shí)域和頻率間變換，如圖1所示。

圖1 多步驟混合計(jì)算方法流程圖

1.1 控制方程

SSTk-ω湍流模型方程[10]如式（1）所示：

式中：WT為守恒變量；Fc,T為對(duì)流項(xiàng)；Fv,T為黏性項(xiàng)；QT為湍流運(yùn)輸方程的源項(xiàng)。

基于SSTk-ω兩方程湍流模型定義DES 尺度，替換k方程中的耗散項(xiàng)實(shí)現(xiàn)SST-DDES模型[11]，如式（2）所示：

式中：Δ為3 個(gè)方向上的最大網(wǎng)格步長；f1由湍流模型給出

聲類比方法最初由Lighthill[12－13]提出，通過對(duì)N-S方程進(jìn)行變換重組，將其寫成波動(dòng)方程格式，忽略了流動(dòng)對(duì)聲波的影響。M?hring[14]使用類似方法對(duì)此進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了M?hring聲類比模型，該模型考慮了聲源區(qū)域介質(zhì)的可壓縮性和聲輻射區(qū)域介質(zhì)的對(duì)流效應(yīng)，更適用于高馬赫數(shù)（Ma＞0.3）氣動(dòng)噪聲計(jì)算[8]。M?hring聲類比方程如式（3）所示：

式中：ρ為密度；ρT為總密度；vi為速度；b為標(biāo)量焓值；c2=為聲速為旋渦。

式（3）中等式左邊(LHS)為聲傳播項(xiàng)，右邊(RHS)為聲源項(xiàng)，對(duì)RHS 進(jìn)行傅里葉變換，得到M?hring 聲類比頻率方程，然后應(yīng)用有限元法、部分積分法及高斯定理得到有限元方程，如式（4）所示：

1.2 幾何模型和工況參數(shù)

偏心旋轉(zhuǎn)閥的幾何模型由閥體、閥座、閥桿、V球、進(jìn)口管道和出口管道組成，材料簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)鋼，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，楊氏模量2.1×1011Pa。閥門公稱通徑為DN150，額定流量系數(shù)為380，流量特性曲線為近似等百分比，壓差比系數(shù)為0.4，閥門類型修正系數(shù)為0.25，壓力恢復(fù)系數(shù)為0.9，介質(zhì)由閥座方向流入。建立幾何模型時(shí)忽略了介質(zhì)非流動(dòng)區(qū)域結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)化填料部件、底軸、底蓋等結(jié)構(gòu)?？紤]氣動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置要求[15]和工業(yè)管道對(duì)閥門的影響，進(jìn)口管道長度為2倍管道公稱通徑[16]，出口管道長度為1.3 米[17]，總長共計(jì)1 828.5 mm，如圖2所示。

圖2 偏心旋轉(zhuǎn)閥幾何模型

合成氣洗滌塔的高壓差壓力調(diào)節(jié)用偏心旋轉(zhuǎn)閥以合成氣為介質(zhì)[18]，介質(zhì)參數(shù)和實(shí)際工況參數(shù)均按某煤氣化裝置實(shí)際參數(shù)選定，摩爾質(zhì)量為24.344 kg/kmol，進(jìn)口壓力為2 MPa(G)，出口壓力為0.5 MPa(G)，流量為10 kg/s，溫度為180℃，相應(yīng)的等熵指數(shù)為1.38，操作密度為13.5 kg/m3，黏性系數(shù)為1.54×10-5kg/(m·s)，聲速為469.23 m/s。

1.3 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格模型包括瞬態(tài)流場(chǎng)模擬所需的流體域網(wǎng)格和聲場(chǎng)模擬所需的聲流體域網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格和聲輻射域網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 聲場(chǎng)網(wǎng)格模型

流體域網(wǎng)格采用poly-hexcore 網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行劃分，在近壁面的流動(dòng)區(qū)域劃分邊界層，采用最小面網(wǎng)格尺寸Smin細(xì)化處理流動(dòng)變化劇烈區(qū)域，采用最大面網(wǎng)格尺寸Smax控制網(wǎng)格數(shù)量。通常網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間越長，網(wǎng)格單元達(dá)到一定數(shù)量后計(jì)算結(jié)果基本不變，這被稱為網(wǎng)格無關(guān)化[19]。本文以流量值為網(wǎng)格無關(guān)化的衡量指標(biāo)。如表1 所示，采用3 組網(wǎng)格尺寸建立40°開度的流場(chǎng)有限元模型a、b、c，基于上述介質(zhì)和工況參數(shù)，選用SSTk-ω湍流模型開展穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬，最大流量誤差為0.05%。因此，考慮模擬計(jì)算精度、時(shí)間成本和工作量，本文認(rèn)為模型b已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)化。

表1 流場(chǎng)流體域網(wǎng)格無關(guān)化模擬結(jié)果/(kg?s-1)

聲流體域網(wǎng)格和聲輻射域網(wǎng)格采用MSC Actran軟件的波長計(jì)算工具和網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行處理，得到最高頻率為5 000 Hz 的聲場(chǎng)流體域網(wǎng)格單元大小為10 mm，單元數(shù)為399 130，節(jié)點(diǎn)數(shù)為89 976，聲場(chǎng)輻射域網(wǎng)格單元大小為20 mm，單元數(shù)為514 739，節(jié)點(diǎn)數(shù)為119 417，滿足了最高頻率對(duì)應(yīng)的聲波波長內(nèi)劃分6～8 個(gè)單元的要求?？紤]在氣動(dòng)噪聲計(jì)算中結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格與聲流體域的流固耦合，以及與聲輻射域的聲振耦合作用，結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格密度需滿足振動(dòng)波長內(nèi)8～10 個(gè)網(wǎng)格單元的要求，本文采用ANSYS Meshing軟件劃分結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格模型，設(shè)置網(wǎng)格單元大小為5.5 mm，單元數(shù)為676 218，節(jié)點(diǎn)數(shù)為160 829。

1.4 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)

為了監(jiān)測(cè)瞬態(tài)流場(chǎng)中壓力、流量、馬赫數(shù)等參數(shù)隨采樣時(shí)間的變化趨勢(shì)，同時(shí)獲得偏心旋轉(zhuǎn)閥氣動(dòng)噪聲模擬值和聲指向性曲線，本文以偏心旋轉(zhuǎn)閥閥體中心為原點(diǎn)，以介質(zhì)流動(dòng)方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的安裝方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系。流場(chǎng)對(duì)稱面為XZ平面，流場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”坐標(biāo)為（1114.5,0,0）。氣動(dòng)噪聲模擬值監(jiān)測(cè)點(diǎn)“A”坐標(biāo)為（1 114.5,1 084.15,0），符合文獻(xiàn)[11]中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；以監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”坐標(biāo)為圓心，以1 084.15 mm 為半徑建立360 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以觀察氣動(dòng)噪聲在遠(yuǎn)離閥門出口1米處的聲指向性，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

采用多步驟混合計(jì)算方法建立40°開度偏心旋轉(zhuǎn)閥及附屬管道的有限元模型(簡(jiǎn)稱為N 模型)，以合成氣為介質(zhì)模擬穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值，以實(shí)際進(jìn)出口壓力為邊界條件，開啟能量方程，選用SSTk-ω湍流方程，將監(jiān)測(cè)“B”坐標(biāo)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)曲線作為流場(chǎng)收斂性判斷依據(jù)。將收斂后的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)結(jié)果作為瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算的初始值，選用SST-DDES模型，設(shè)置瞬態(tài)流場(chǎng)采樣步數(shù)為800 步，采樣步長為0.0001 s，根據(jù)Nyquist 采樣定理可知，聲場(chǎng)計(jì)算的最大頻率為5 000 Hz，最小頻率為12.5 Hz。

提取0.04 s 時(shí)XZ平面的馬赫數(shù)，如圖5 所示。合成氣以2 MPa(G)進(jìn)口壓力流入進(jìn)口管道，此時(shí)馬赫數(shù)約為0.1，合成氣處于低馬赫數(shù)流動(dòng)狀態(tài)，因管道內(nèi)面積不變，該區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)基本保持恒定；隨后，合成氣進(jìn)入閥體內(nèi)腔區(qū)域，馬赫數(shù)迅速上升至約1.7，到達(dá)出口管道后馬赫數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，馬赫數(shù)約為0.35。由文獻(xiàn)[12]可知，高馬赫數(shù)氣體所在的區(qū)域極容易產(chǎn)生沖擊波、噴射流、旋渦流等凌亂流體，這種流體產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲沿著出口管道傳遞到各處，嚴(yán)重時(shí)將因振動(dòng)過大而破壞管道系統(tǒng)。

圖5 0.04s時(shí)XZ平面的馬赫數(shù)散點(diǎn)圖（N模型）

N 模型在0.04 s 時(shí)的流線云圖和渦量圖如圖6所示。流線云圖采用150 條流線繪制，渦量圖采用Q-Criterion方法進(jìn)行繪制。流線以恒定流速進(jìn)入閥座區(qū)域，V球的阻擋使得流動(dòng)方向發(fā)生改變，因閥體內(nèi)腔受限，在擠壓效應(yīng)的作用下，狹窄區(qū)域的流速迅速增加至533.6 m/s，V 球兩側(cè)位置均出現(xiàn)了沖擊射流和回流現(xiàn)象，圍繞射流的流線分布較混亂。大量的渦旋結(jié)構(gòu)分布于閥體內(nèi)腔和出口位置并呈脫落現(xiàn)象。這些渦旋對(duì)偏心旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力容易引起振動(dòng)，渦旋中心容易產(chǎn)生氣穴；渦旋脫離的頻率與閥門及附屬管道結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或相同時(shí)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這些都是氣動(dòng)噪聲源[20]。

圖6 0.04 s時(shí)的流線云圖和渦量圖（N模型）

2.2 聲場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

提取2.1 小節(jié)瞬態(tài)流場(chǎng)的速度、壓力和密度信息，采用M?hring 聲類比方法將流場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換為聲源。采用直接頻率分析方法，分別設(shè)置聲場(chǎng)流體域網(wǎng)格和聲輻射域網(wǎng)格為有限域組件，結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格為固體域組件，聲輻射域外壁面為無限域組件，流體域進(jìn)出口面為自由模態(tài)管組件，在結(jié)構(gòu)域進(jìn)出口面設(shè)置位移約束，在聲場(chǎng)流體域施加聲源，以此實(shí)現(xiàn)閥門氣動(dòng)噪聲的聲流固耦合計(jì)算。

以2×10-5Pa 作為參考聲壓，繪制N 模型“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)在頻率內(nèi)的A加權(quán)聲壓級(jí)曲線和1/3倍頻程圖，如圖7 所示。聲壓級(jí)曲線呈上下波動(dòng)狀態(tài)，但總趨勢(shì)是隨著頻率的增加而下降；聲壓級(jí)主要分布在500 Hz～3 000 Hz區(qū)間，而又以500 Hz～1 500 Hz為主，“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大聲壓級(jí)99.3 dB(A)對(duì)應(yīng)于頻率500 Hz，其次是99.3 dB(A)對(duì)應(yīng)1 313 Hz，處于中低頻區(qū)域；聲壓級(jí)在高頻區(qū)呈明顯的寬頻特性。對(duì)頻率內(nèi)的A 加權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行總聲壓級(jí)計(jì)算，獲得距偏心旋轉(zhuǎn)閥出口和管壁1 米處（“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬值為114.6 dB(A)。

圖7 N模型“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)和1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線

提取最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率500 Hz和1 313 Hz下距閥門出口1米處的360個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)，并轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)的形式，其中Y軸正方向?qū)?yīng)極坐標(biāo)的0°，Z軸正方向?qū)?yīng)極坐標(biāo)的90°，如圖8所示。

圖8 N模型的最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率下的聲指向性曲線

聲壓級(jí)曲線呈中心對(duì)稱分布，500 Hz 的聲壓級(jí)曲線表現(xiàn)出顯著的偶極子聲源指向特性，最大聲壓級(jí)位于偏離Z軸45°方向；最小聲壓級(jí)位于偏離Y軸50°方向。1 313 Hz 的聲壓級(jí)曲線表現(xiàn)出顯著的四極子聲源指向特性，最大聲壓級(jí)分別位于偏離Y軸60°和150°對(duì)稱軸；最小聲壓級(jí)分別位于偏離Y軸20°和110°對(duì)稱軸。

提取聲場(chǎng)流體域和聲輻射域的聲壓和結(jié)構(gòu)域的位移，采用Actran 軟件后處理模塊獲得500 Hz 和1 313 Hz頻率下XZ平面流體域聲壓云圖、聲輻射域聲壓云圖和結(jié)構(gòu)域位移云圖，如圖9 所示。聲輻射壓力云圖和結(jié)構(gòu)域位移云圖基本對(duì)稱；聲輻射域的最大聲壓主要分布于出口管道附近，說明了閥體內(nèi)腔和出口位置渦旋結(jié)構(gòu)的形成和脫落引起的噪聲沿出口管道傳播到各處，500 Hz 的聲輻射域的聲壓主要由偶極子產(chǎn)生，1 313 Hz 的聲輻射域的聲壓主要由四極子產(chǎn)生。流體域聲壓明顯高于聲輻射域聲壓，這是由于噪聲在穿過閥門和管道結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生了傳遞損失；結(jié)構(gòu)域振動(dòng)位移變化源自偶極子聲源和四極子聲源的共同作用。

圖9 N模型的聲壓云圖和振動(dòng)位移云圖

綜上所述，介質(zhì)為合成氣，進(jìn)口壓力為2 MPa(G)，出口壓力為0.5 MPa(G)，開度為40°時(shí)偏心旋轉(zhuǎn)閥在“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲模擬值為114.6 dB(A)，聲壓級(jí)主要分布在500 Hz～3 000 Hz 區(qū)間，并以中低頻500 Hz～15 00 Hz 為主，最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率為500 Hz，其次為1 313 Hz。聲輻射域的最大聲壓位于出口管道附近；此數(shù)值模型的氣動(dòng)噪聲聲源包含了介質(zhì)與閥門和管道內(nèi)壁的相互作用形成的偶極子聲源，以及閥門和管道內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)形成的四極子聲源。

2.3 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

Conval 軟件是一款專業(yè)的閥門選型軟件，其氣動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)值的算法來源于標(biāo)準(zhǔn)《IEC60534-8-3：2010》[21]。根據(jù)第1 節(jié)所述偏心旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)和工況參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，結(jié)果表明：偏心旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲處于Ⅳ狀態(tài)，此時(shí)，馬赫面形成、分子碰撞減少、激波紊流作用占主要因素；閥門計(jì)算流量系數(shù)為173.4，開度為40°，出口管道位置馬赫數(shù)為0.32，節(jié)流位置最大馬赫數(shù)為1.72，管壁外1 米處的A 加權(quán)聲壓級(jí)為117 dB(A)。與數(shù)值模擬結(jié)果比較可知：標(biāo)準(zhǔn)噪聲值與氣動(dòng)噪聲模擬值誤差小于3 dB(A)；閥門開度基本一致；出口管道位置處馬赫數(shù)誤差約為8%；節(jié)流位置的最大馬赫數(shù)誤差約為2%?；谝陨辖Y(jié)論判定該數(shù)值模擬方法具有可靠性。

3 氣動(dòng)噪聲控制機(jī)理研究

3.1 閥后加裝降噪孔板

在偏心旋轉(zhuǎn)閥與出口管道間位置安裝降噪孔板是一種常見的噪聲控制方法，該方法基于聲路處理法原理，在保持偏心旋轉(zhuǎn)閥原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，降低從聲源到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳播聲路的聲壓級(jí)[20]。本文對(duì)第2節(jié)所述N模型的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行降噪處理，基于數(shù)值模擬閥門開度和邊界條件一致性，在閥門出口位置加裝厚度為10 mm、線性分布有345 個(gè)?5 mm 小孔的降噪板，建立閥后加裝降噪孔板后的有限元模型（簡(jiǎn)稱“K 模型”），并按1.3 節(jié)網(wǎng)格繪制方法劃分網(wǎng)格，在降噪孔板部分進(jìn)行邊界層劃分及局部加密處理，流體域網(wǎng)格如圖10所示。

圖10 K模型的流體域網(wǎng)格模型

繪制K 模型在0.04 s 時(shí)的流線云圖和渦量圖如圖11 所示。比較圖6 可知，閥后加裝降噪孔板的K模型有效抑制了閥體內(nèi)腔和出口位置的沖擊射流和回流現(xiàn)象，流場(chǎng)的最高流速由526.2 m/s 減小到433 m/s，且最大流速位置轉(zhuǎn)移至降噪孔板出口位置，有效保護(hù)了閥體內(nèi)腔的零部件。K模型的渦旋結(jié)構(gòu)主要分布于閥體內(nèi)腔和降噪孔板的出口位置。渦旋結(jié)構(gòu)的不斷形成和脫落導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)作用于閥體內(nèi)腔和管道內(nèi)壁，因此產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。

圖11 0.04 s時(shí)的流線云圖和渦量圖（K模型）

提取K 模型在采樣時(shí)間內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”的壓力信息，以及采樣頻率內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“A”的聲壓信息，對(duì)比N模型繪制壓力脈動(dòng)曲線和聲壓級(jí)曲線，如圖12所示。采樣時(shí)間內(nèi)N模型在監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”位置的最大壓差為6.9 kPa(G)，K模型的最大壓差為3.5 kPa(G)。因此，閥后加裝降噪孔板可以通過抑制渦旋結(jié)構(gòu)的形成和脫落，減小壓力脈動(dòng)而控制噪聲的產(chǎn)生。采樣頻率內(nèi)的聲壓級(jí)曲線均隨頻率呈整體下降的趨勢(shì)，最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率由500 Hz轉(zhuǎn)移到1 800 Hz，仍處于中低頻區(qū)域；K 模型的聲壓級(jí)明顯低于N 模型；對(duì)頻率內(nèi)的聲壓級(jí)進(jìn)行總聲壓級(jí)計(jì)算，獲得“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲模擬值為106 dB(A)。因此，閥后加裝降噪孔板通過抑制閥體內(nèi)腔和出口管道內(nèi)的渦旋結(jié)構(gòu)的生成和脫落，降低壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)降噪。

圖12 K模型和N模型的壓力脈動(dòng)和聲壓級(jí)對(duì)比曲線

3.2 減小流量

以合成氣為介質(zhì)，進(jìn)口壓力為2 MPa(G)，出口壓力為0.5 MPa(G)，以流量為10 kg/s、6 kg/s、2 kg/s 3種工況參數(shù)為邊界條件，采用多步驟混合數(shù)值方法分別建立有限元模型（N 模型、O 模型、P 模型）并開展聲流固耦合數(shù)值模擬。

提取O模型和P模型在采樣時(shí)間內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”的壓力信息，以及采樣頻率內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“A”的聲壓信息，對(duì)比N 模型繪制壓力脈動(dòng)曲線和聲壓級(jí)曲線，如圖13 所示。N 模型的壓力脈動(dòng)曲線的最大壓差為6.9 kPa(G)，O 模型為4.8 kPa(G)，P 模型為3.28 kPa(G)，壓力脈動(dòng)隨著流量的減小而降低。3種模型的聲壓級(jí)曲線趨勢(shì)基本一致，最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率分別為500 Hz、1 325 Hz、1 938 Hz，均處于500 Hz～3 000 Hz 頻率的中低頻區(qū)域，且最大聲壓級(jí)隨流量減小而降低。對(duì)頻率內(nèi)的聲壓級(jí)進(jìn)行總聲壓級(jí)計(jì)算，獲得“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲模擬值分別為102.6 dB(A)和88.1 dB(A)。因此，流量減小后，壓力脈動(dòng)強(qiáng)度變?nèi)?，噪聲也隨之變小。

圖13 不同流量下的壓力脈動(dòng)和聲壓級(jí)對(duì)比曲線

3.3 增大進(jìn)口壓力

以合成氣為介質(zhì)，出口壓力為0.5 MPa(G)，流量為10 kg/s，以進(jìn)口壓力分別為5 MPa(G)、3 MPa(G)、2 MPa(G)3 種工況參數(shù)為邊界條件，采用多步驟混合數(shù)值方法分別建立有限元模型（L模型、M模型、N模型）并開展聲流固耦合數(shù)值模擬。

提取L模型和M模型在采樣時(shí)間內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“B”的壓力信息，以及采樣頻率內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“A”的聲壓信息，對(duì)比N模型繪制壓力脈動(dòng)曲線和1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線，如圖14 所示。N 模型的壓力脈動(dòng)曲線的最大壓差為6.9 kPa(G)，M 模型為15.6 kPa(G)，L 模型為23.2 kPa(G)，壓力脈動(dòng)隨著進(jìn)口壓力的增大變強(qiáng)。3種模型的聲壓級(jí)在0～1 500 Hz頻率區(qū)間無趨勢(shì)變化，1500 Hz以上的聲壓級(jí)隨著進(jìn)口壓力的增大而變大，趨勢(shì)較明顯。對(duì)頻率內(nèi)的聲壓級(jí)進(jìn)行總聲壓級(jí)計(jì)算，獲得“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲模擬值分別為117.6 dB(A)和119.5 dB(A)。因此，增大進(jìn)口壓力，壓力脈動(dòng)強(qiáng)度變大，噪聲也隨之變大。

圖14 不同進(jìn)口壓力下壓力脈動(dòng)和1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線

4 結(jié)語

本文以煤氣化裝置中合成氣洗滌塔的高壓差壓力調(diào)節(jié)用偏心旋轉(zhuǎn)閥為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)，采用多步驟混合計(jì)算方法開展氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生及控制機(jī)理研究，結(jié)論如下：

（1）多步驟混合計(jì)算方法基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)CAA 提出，應(yīng)用ANSYS Fluent 計(jì)算流體力學(xué)軟件中的SST-DDES 模型實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算，采用Actran 聲學(xué)軟件的M?hring聲類比模型、網(wǎng)格映射、傅里葉變換方法實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)與聲場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換和噪聲求解，獲得了管壁外1 米處的氣動(dòng)噪聲模擬值，以及瞬態(tài)流場(chǎng)和聲場(chǎng)結(jié)果信息。

（2）介質(zhì)為合成氣，進(jìn)口壓力為2 MPa(G)，出口壓力為0.5 MPa(G)，流量為10 kg/s 時(shí)偏心旋轉(zhuǎn)閥在管壁外1米處“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲模擬值為114.6 dB(A)，流場(chǎng)和聲場(chǎng)結(jié)果表明：偏心旋轉(zhuǎn)閥的氣動(dòng)噪聲來源于介質(zhì)與閥門和管道內(nèi)壁的相互作用形成的偶極子聲源，以及閥門和管道內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)形成的四極子聲源共同作用的結(jié)果，其聲壓級(jí)頻率主要分布在500 Hz～3 kHz 區(qū)間。采用Conval 閥門選型軟件計(jì)算得到的噪聲標(biāo)準(zhǔn)值為117 dB(A)，兩者計(jì)算結(jié)果誤差在±3 dB(A)內(nèi)，證明了數(shù)值模擬方法具有可靠性。

（3）基于閥后加裝降噪孔板、減小流量、增大進(jìn)口壓力3 種噪聲控制方法進(jìn)行噪聲控制機(jī)理研究。研究結(jié)果表明：閥后加裝降噪孔板削弱了閥體內(nèi)腔和出口管道沖擊波和回流的形成，以及出口管道內(nèi)渦旋結(jié)果的形成和脫落，降低了壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，“A”監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲降低了9 dB(A)；流量減小，降低了“B”監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度，氣動(dòng)噪聲隨之減??；增大進(jìn)口壓力加強(qiáng)“B”監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)，氣動(dòng)噪聲隨之增加。