閥門(mén)作為流體的限制開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的*明顯的一個(gè)問(wèn)題是噪聲，閥門(mén)噪聲和伴生的振動(dòng)會(huì)影響閥門(mén)性能并且會(huì)造成閥門(mén)及鄰近管路及設(shè)備的疲勞，降低其使用壽命。因此，閥門(mén)噪聲必須重視。
根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理閥門(mén)產(chǎn)生的噪聲分為機(jī)械振動(dòng)噪聲，氣蝕噪聲和流體噪聲。
機(jī)械振動(dòng)噪聲是由湍流、壓力振蕩或由于速度和（或）大的流量所產(chǎn)生的不穩(wěn)定的流動(dòng)力量所引起的。其噪聲級(jí)比較低，很少超過(guò)90dB（A），頻率在50Hz～1500Hz范圍之內(nèi)。通過(guò)改變閥芯形狀的辦法，機(jī)械振動(dòng)噪聲往往是可以降低的。
氣蝕噪聲是氣蝕嚴(yán)重程度的函數(shù)，所產(chǎn)生的噪聲類(lèi)似于純閃蒸液體的噪聲。氣蝕噪聲的形成機(jī)理比較復(fù)雜，目前還不能較好的預(yù)測(cè)。氣蝕噪聲一般不會(huì)超過(guò)100dB（A）。通過(guò)適當(dāng)選擇隔聲材料可以處理這種噪聲。
流體噪聲是管路*常見(jiàn)的噪聲源。這種噪聲基本上是由于湍流流體和在混合區(qū)域內(nèi)的層流流體的相互作用或者由于高速和（或）氣體質(zhì)量流率的沖擊波所引起的。當(dāng)管路流速超過(guò)聲速（340m/s）時(shí)，會(huì)有較大的流體噪聲，而當(dāng)質(zhì)量流量較大時(shí)，在較低的壓降和流速下也可能產(chǎn)生高的噪聲級(jí)。
1 閥門(mén)管路流動(dòng)噪聲研究方法
對(duì)于閥門(mén)管路的流動(dòng)噪聲，一般有兩類(lèi)預(yù)測(cè)方法。一類(lèi)方法是經(jīng)驗(yàn)方法，只要知道管路的幾何尺寸和流動(dòng)狀態(tài)，就可以基于半經(jīng)驗(yàn)公司對(duì)閥門(mén)和管路的流動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前每個(gè)大的閥門(mén)生產(chǎn)商基本都有自己的流動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)程序。一些國(guó)際和行標(biāo)也定義了流動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法，如IEC和ISA，其中IEC534-8-3空氣動(dòng)力學(xué)噪聲標(biāo)準(zhǔn)是控制閥領(lǐng)域使用的*廣的工業(yè)閥門(mén)噪聲預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算流體在各個(gè)方向的聲響效率因素，并可計(jì)算閥門(mén)內(nèi)部的聲源強(qiáng)度，管路的傳遞損失，峰值頻率以及管路輻射。
此類(lèi)半經(jīng)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算迅速，也有一定的準(zhǔn)確性，可作為設(shè)計(jì)的參考。其缺點(diǎn)在于無(wú)法詳細(xì)考慮流動(dòng)和管路結(jié)構(gòu)對(duì)*終噪聲輻射的聲響，也無(wú)法處理非標(biāo)準(zhǔn)的閥門(mén)。
另一類(lèi)的計(jì)算方法是使用瞬態(tài)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法和聲學(xué)軟件結(jié)合的預(yù)測(cè)方法。通過(guò)使用CFD瞬態(tài)計(jì)算提取的信號(hào)，轉(zhuǎn)換得到的等效流體聲源，并加載到聲學(xué)和結(jié)構(gòu)模型中，計(jì)算傳遞損失和外場(chǎng)的聲輻射。此類(lèi)計(jì)算方法的計(jì)算量非常大，對(duì)計(jì)算資源和工程師的技術(shù)要求相對(duì)較高。其優(yōu)點(diǎn)是可以考慮較多的細(xì)節(jié)，如流態(tài)、幾何尺寸。同時(shí)計(jì)算的結(jié)果輸出豐富，可以幫助工程師更好的理解流動(dòng)噪聲問(wèn)題。
2 采用的計(jì)算方法介紹
本文使用了兩種計(jì)算方法對(duì)控制閥門(mén)的流動(dòng)噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)。一種是前面介紹的基于瞬態(tài)CFD和聲學(xué)軟件的方法。另外一種則是將穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算與IEC534-8-3的規(guī)范相結(jié)合，進(jìn)行閥門(mén)管路噪聲的預(yù)測(cè)
2.1 幾何模型與求解器選擇
在CFD計(jì)算中，邊界位置的設(shè)置和邊界條件的設(shè)置往往對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。入口的位置和邊界條件影響更大。入口的的速度分布和湍流度會(huì)直接影響到下游的流場(chǎng)。本文的模型邊界為從閥門(mén)管路上游300mm到閥門(mén)管路下游900mm的部分。
對(duì)于閥門(mén)內(nèi)流問(wèn)題，由于管內(nèi)*高速度可以超過(guò)音速，因此選擇耦合式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的計(jì)算。耦合式求解器的一個(gè)好處是：其收斂速度不會(huì)隨著網(wǎng)格的增加而變差，也就是說(shuō)其計(jì)算時(shí)間基本上跟網(wǎng)格的數(shù)量成正比。
2.2 瞬態(tài)計(jì)算方法介紹
通過(guò)耦合CFD軟件STARCCM+與專(zhuān)業(yè)聲學(xué)軟件LMSVirtual.LabAcoustic來(lái)求解閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)以及引起的外部輻射噪聲。在CFD計(jì)算中，對(duì)閥門(mén)內(nèi)部的瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行求解并輸出流場(chǎng)特征，然后將噪聲的源項(xiàng)導(dǎo)入到LMSVirtual.LabAcoustic來(lái)計(jì)算噪聲的傳播；
計(jì)算采用三維、瞬態(tài)的耦合求解器，使用空間和時(shí)間2階離散格式，湍流模型采用基于SSTk-w的DES模型。DES/LES是一種空間濾波的處理方法，對(duì)于大于某尺度的渦，使用DNS方法模擬其輸運(yùn)；對(duì)于小于該尺度的渦，則使用湍流模型來(lái)模擬其耗散。采用DES的目的是為了捕捉中高頻的閥門(mén)流體噪聲。
圖1 瞬態(tài)CFD計(jì)算閥門(mén)噪聲仿真流程
計(jì)算模型中網(wǎng)格的尺度往往*終受限于計(jì)算資源。采用的CFD模型網(wǎng)格數(shù)目為1200萬(wàn)左右，主要集中在閥門(mén)后部及其下游的關(guān)鍵區(qū)域。
基于流場(chǎng)計(jì)算得到的速度和壓力脈動(dòng)，應(yīng)用經(jīng)典的的Lighthill公式計(jì)算四極子聲源的強(qiáng)度如下
（1）
上式中Tij為L(zhǎng)ighthill張量
在所使用的聲學(xué)軟件LMSVirtual.Lab中，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)基于流場(chǎng)數(shù)據(jù)（cgns格式）轉(zhuǎn)化等效聲源，并進(jìn)行后續(xù)的聲場(chǎng)計(jì)算。
2.3 穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法介紹
傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)的閥門(mén)流體噪聲計(jì)算程序，如IEC，ISA等，可以方便的基于閥門(mén)的幾何尺寸和流動(dòng)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)閥門(mén)的輻射噪聲，其一般流程如下：
1）根據(jù)幾何尺寸和流態(tài)來(lái)確定閥門(mén)管道系統(tǒng)內(nèi)流體的機(jī)械能；
2）基于經(jīng)驗(yàn)公式確定轉(zhuǎn)換系數(shù)，由流體的機(jī)械能得到流體的聲能；
3）根據(jù)流體的聲能，確定管路內(nèi)部流體的等效總聲壓；
4）根據(jù)管路的材料和尺寸，計(jì)算出管路的聲傳遞損失和管路外壁面聲壓；
5）計(jì)算距離管壁1m處的聲壓，并進(jìn)行記權(quán)處理。
本文采用的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法在確定聲源強(qiáng)度時(shí)采用了穩(wěn)態(tài)CFD預(yù)估的方法。而對(duì)聲場(chǎng)向下游的傳播，管路的隔聲以及管路的聲輻射，采用了與IEC類(lèi)似的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。這是因?yàn)槭褂肅FD工具，基于流場(chǎng)的湍動(dòng)能參數(shù)，可以較好的預(yù)測(cè)局部的聲能量密度。但是對(duì)于目前的CFD計(jì)算格式，預(yù)測(cè)微小信號(hào)（聲信號(hào)）在流場(chǎng)中的傳播，乃至預(yù)測(cè)聲場(chǎng)與管路結(jié)構(gòu)的耦合仍然是極為困難的。
穩(wěn)態(tài)計(jì)算的另一個(gè)好處是不需要提取流場(chǎng)的瞬態(tài)信號(hào)，可以直接使用時(shí)間平均的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，這大大降低了對(duì)計(jì)算資源的要求，提高在工程應(yīng)用上的可用性。
流場(chǎng)計(jì)算完畢后，預(yù)估聲源強(qiáng)度的公式如下
（2）
上式中AP為聲功率密度，α為常數(shù)，u為速度矢量分量的均方根值，l是局部流場(chǎng)特征尺度，po和a0分別為遠(yuǎn)場(chǎng)的介質(zhì)密度和聲速。
流道中的總聲功率計(jì)算完畢后，可帶入到計(jì)算程序中，計(jì)算距離管壁1m處的記權(quán)聲壓級(jí)。
3 計(jì)算結(jié)果與分析
3.1 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果
計(jì)算得到的瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如式（2）所示
由圖2可見(jiàn)，對(duì)于計(jì)算工況，流路內(nèi)部局部*高速度達(dá)到了500m/s，超過(guò)了音速，這是由于閥門(mén)泄露處的截面類(lèi)似于一個(gè)C—D噴口。經(jīng)過(guò)閥門(mén)加速后的氣體在擴(kuò)張段中心形成了對(duì)沖，往下游逐步發(fā)展為平均流動(dòng)。
圖2 閥門(mén)后部下游的瞬態(tài)速度和壓力分布
工質(zhì)經(jīng)過(guò)閥門(mén)加速后產(chǎn)生了過(guò)膨脹。在閥門(mén)下游處形成了激波網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（shock-cell）。閥門(mén)下流場(chǎng)的劇烈變化會(huì)對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，導(dǎo)致閥門(mén)管壁振動(dòng)并向外輻射噪聲。
將流場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為等效聲源后，輸入到聲學(xué)軟件中進(jìn)行聲振耦合計(jì)算，以得到閥門(mén)下游管路1m處的聲場(chǎng)。典型的聲場(chǎng)分布如圖3所示。
圖3 4000Hz管道外部聲壓分布
將計(jì)算的結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比較，見(jiàn)圖4和圖5?？梢?jiàn)在能量*集中的頻段（1000Hz～4000Hz），仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好。在低頻段和高頻段，仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果較小，這是因?yàn)閷?duì)于管路傳遞損失，低頻主要是強(qiáng)度控制區(qū)，建模的細(xì)節(jié)和邊界條件影響很大；而對(duì)于高頻，想得到準(zhǔn)確的聲源特性對(duì)CFD的要求極高，由于計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間的限制，導(dǎo)致聲源的高頻特性與真實(shí)情況差別較大。
圖4 1/3倍頻程聲壓測(cè)結(jié)果比較（測(cè)點(diǎn)1）
計(jì)算得到三個(gè)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)接近，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3（測(cè)點(diǎn)1、2、3的位置均位于閥門(mén)下游1m處的橫截平面上，距離管壁的距離均為1m）的總聲壓級(jí)分別為80.6dB（A），80.4dB（A），80.6dB（A）。試驗(yàn)得到的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的總聲壓級(jí)分別為84.6dB（A）和80.8dB（A）。對(duì)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2，計(jì)算與仿真的誤差分別為4dB（A）和0.4dB（A）。
圖5 1/3倍頻程聲壓測(cè)量結(jié)果比較（測(cè)點(diǎn)2）
3.2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果
使用穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算，首先使用穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算，得到閥門(mén)管道流場(chǎng)中的聲功率密度如下圖6所示。
圖6 流道內(nèi)聲功率密度分布
由圖可見(jiàn)，局部聲功率*大的地方存在與閥門(mén)后部下游的激波區(qū)和混合區(qū)。
將計(jì)算得到的流場(chǎng)的總聲功率值代入計(jì)算程序（實(shí)現(xiàn)IEC-534-8-3和ISA規(guī)范），得到的計(jì)算工況試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖7。
由圖7可見(jiàn)，對(duì)于計(jì)算工況，在300Hz到10000Hz的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)CFD方法的預(yù)測(cè)曲線與測(cè)量曲線的趨勢(shì)基本一致，幅值差距也較小。
圖7 1/3倍頻程聲壓測(cè)量結(jié)果比較
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)兩種方法的計(jì)算，可以得到的結(jié)論如下：
（1）兩種方法均可以較好的預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)閥門(mén)的噪聲。通過(guò)與測(cè)量結(jié)果的比較，穩(wěn)態(tài)方法預(yù)測(cè)結(jié)果和瞬態(tài)方法預(yù)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)均與測(cè)量結(jié)果曲線基本一致，驗(yàn)證了兩種預(yù)測(cè)方法的可靠性；
（2）瞬態(tài)計(jì)算方法的計(jì)算流程比較簡(jiǎn)單，但是計(jì)算量相較穩(wěn)態(tài)計(jì)算要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；
（3）穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算量小，預(yù)報(bào)精度與瞬態(tài)方法相當(dāng)，具有很大的工程價(jià)值。
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