DN65通海阀声学特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军驻武汉七一九所军事代表室 作者:石磊

  以典型DN65通海阀为对象,采用数值仿真的手段,对通海阀声学现状和结构特性进行分析研究。同时,利用LMS振动测试仪器对DN65通海阀的模态频率和模态阻尼进行了测试,对比分析仿真计算和试验测试的结果,证明了仿真计算的可信性和正确性。

  通海阀作为管路系统的重要组成部分,除了其自身流体控制功能外,还是管路系统的噪声源之一,对系统流噪声和结构噪声均有明显的影响。当流体通过阀门时,其流动状况发生激烈的变化;由于阀板的节流作用,流体在阀门前后激烈地混搅、冲击,同时压力也有剧烈的变化。从流体动力学观点解释,流体在阀前具有较高的压力势能,通过阀门时,流体加速,使势能转变为动能;同时有一部分能量转变为声能,以噪声的形式辐射出来。大多数情况下,阀门下游的噪声比上游更强烈。

  本文以典型DN65通海阀为研究对象,通过流体动力计算、结构有限元分析等技术手段,对DN65通海阀的流体性能、流动噪声性能进行研究。同时,利用LMS振动测试仪器对DN65通海阀的模态频率和模态阻尼进行了测试,对比分析仿真计算和试验测试的结果,证明了仿真计算的可信性和正确性。

1、流场特性分析

  以典型DN65通海阀为研究对象,采用计算流体动力学CFD软件中FLUENT[8,9]对阀件内部流道的流动特性和噪声特性进行分析。流场分析过程中,流体为不可压缩的牛顿流体。流体密度:1025 kg/m3;动力粘度:0.001 054 kg/m·s。根据实际工作状况,DN65通海阀的过流量约为20m3/h,按照雷诺数计算公式Re = ρ∙v∙lμ,DN65通海阀的雷诺数约为72 409,远大于2300,因此,通海阀内流体流动状态均为湍流,故选择标准k-ε湍流模型。分析时,设定通海阀入口为速度入口,出口为自由出流,壁面边界为静止壁面。

  分析步骤为:对通海阀建立模型→对模型划分网格→将网格模型导入FLUENT软件→设定计算边界条件→计算求解→查看结果。

  1.1、DN65 通海阀声学现状仿真分析

  按照实际工作工况,对该阀的分析为由底部进水、侧部出水和由侧部进水、底部出水两种工况。首先对通海阀内流场进行稳态分析,计算收敛后,给出不同方案纵截面的速度分布、压力分布和声功率级分布,如图1~图6所示。

  由图1~图6可知,当流体流至阀内时,压力值较大,速度值较低,随着过流面积的减小和流动阻力,压力减小,速度增大。DN65通海阀最大噪声均出现在喉颈部,差别在于底部进水时最大噪声出现在喉颈部靠阀壁侧,侧部进水时最大噪声出现在喉颈部靠阀杆侧,且侧部进水时在阀盘肩部外侧区域噪声较大。

DN65 通海阀底部进水中剖面压力分布

图1 DN65 通海阀底部进水中剖面压力分布

DN65 通海阀底部进水中剖面速度分布

图2 DN65 通海阀底部进水中剖面速度分布

DN65 通海阀底部进水中剖面噪声声功率级分布

图3 DN65 通海阀底部进水中剖面噪声声功率级分布

DN65 通海阀侧部进水中剖面压力分布

图4 DN65 通海阀侧部进水中剖面压力分布

DN65 通海阀侧部进水中剖面速度分布

图5 DN65 通海阀侧部进水中剖面速度分布

DN65 通海阀侧部进水中剖面噪声声功率级分布

图6 DN65 通海阀侧部进水中剖面噪声声功率级分布

  1.2、结构响应分析

  采用FLUENT对流场进行分析,提取不同时刻结构壁面的脉动压力,将脉动压力作为激励力,施加在通海阀的结构有限元模型中,在ANSYS中计算通海阀的振动响应,并分析振动响应结果。三种规格通海阀结构分析结果如图7~图9所示。

DN125 通海阀结构响应总形变云图

图7 DN125 通海阀结构响应总形变云图

DN100 通海阀结构响应总变形云图

图8 DN100 通海阀结构响应总变形云图

DN65 通海阀结构响应总变形云图

图9 DN65 通海阀结构响应总变形云图

  由图7~图9可看出,通海阀结构响应的计算结果显示阀体内响应极值出现在阀腔上部,而位移在阀腔上部和下部的一些位置都处于较高水平。阀体的流速和噪声的极值都出现在出水口后的湍流部分。另外,从量级来看,结构的变形值在10-8m左右,相对于阀体壁厚10-2m,结构的响应变形值为极小值可以忽略,即从声学上来讲,流体脉动对阀体的激励引起的噪声可以忽略。

  1.3、模态分析

  为了比较仿真分析的结果与实际差异,考核验证DN65通海阀的声学特性。通过搭建DN65通海阀的测试试验平台,利用LMS振动测试仪器对DN65通海阀的模态频率和模态阻尼进行测试。测试系统、测试仪器及测试过程见图10~图12。测试后进行数据整理,提取前10阶模态频率和模态阻尼如表1所示。

DN65通海阀声学特性分析

图10 测试系统框图

DN65通海阀声学特性分析

图11 测试仪器照片

DN65通海阀声学特性分析

图12 测试过程照片

表1 DN65 通海阀模态测试结果

DN65 通海阀模态测试结果

  通过在ANSYS 软件中设置材料属性参数泊松比(0.36)、密度(8.5t/m3)、杨氏模量(102GPa)等后进行模态计算。图13为DN65通海阀模态分析结果。

DN65 通海阀模态分析结果

图13 DN65 通海阀模态分析结果

  由于仿真分析和试验测试不可避免的差异性,且模态分析时一阶模态频率是结构分析的主要关心值,试验测得一阶固有频率为704.4Hz,仿真分析一阶固有频率为645.3Hz,两者的差异约在8.4%,因此,可以证明仿真分析的结果是正确可信的。

2、结论

  从计算出的通海阀初步分析结果可知:节流口以上拐角部位和阀杆绕流漩涡较为严重,说明阀杆漩涡和剧烈的压力变化是影响通海阀性能和产生噪声的主要因素。

  当流体流经阀门时产生的能量损失主要是流动收缩引起的能量损失,漩涡的旋转要产生能量损失,流动的扩张要产生能量损失。同时由于湍流的作用和漩涡的出现使海水管路系统的振动和噪声增大。对海水管路系统的工作状态有很大的负面影响。

  流体通过阀芯节流口时,由于过流断面面积突然减小,则流速增大,压力减小。而且,产生流动脉动的原因是由于速率的变化而不是速率的大小。同时由于每一个弯头、断面突扩或突缩都会引起局部压力损失,出口处的压力要比入口处小。节流口以上拐角部位和阀杆绕流漩涡较为严重,说明阀杆漩涡和剧烈的压力变化是影响通海阀性能和产生噪声的主要因素。所以流体流过阀门时,应控制其压力降不要太大,一般应大大低于该流体的临界压力比。

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