阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究

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球阀气体内漏的声场数值模拟及实验研究

作者简介 : 王兵 (1981 - ) , 男 , 黑龙江哈尔滨人 , 助理工程师 , 从事压力容器的检验及声学检测工作。
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U— — — 喷柱速度 , m/ s M — — — 马赫数 KS — — — 比例常数 ( 取 KS = 010825)
412 计算初始声压式 ( 2) 中的 U 和 M 是阀门气体内漏喷流流
图1 计算区域及边界条件
场的参量 , 考虑球阀截流处流道的复杂性 , 采用二维 RN G k - ε湍流模型 , 模拟球阀气体内漏流场。介质为空气 , 球阀入口压力 p 1 = 0118M Pa , 出口压力 p 2 = 011M Pa , 分别模拟球阀不同内漏度下的流场 , 得到对应的流场数值模拟结果。由式 ( 2 ) , 计算得 2 处截流声源的初始声压 ( 表 1) 。
图2 不同内漏度 β下的内漏声压 PSPL 分布
从图 2 的对比可以看出 , 伴随着内漏度β的不断增大 , 截流处的速度都逐渐增大 , 同时产生的喷流噪声也增大 , 内漏声场的最大声压从 90 dB 增加到 100dB , 辐射到上游的声波逐渐增多 , 声压强度也增大。图 3 为不同内漏度 β 下 , x = 40 处 , 声压
阀门 2008 年第 2 期 — 14 —
文章编号 : 100225855 ( 2008) 0220014205
球阀气体内漏的声场数值模拟及实验研究
王兵1 , 盛水平1 , 张颖2 , 余兵1
( 11 杭州市特种设备检测院 , 浙江杭州 310003 ; 21 大庆石油学院机械科学与工程学院 , 黑龙江大庆 163318)

阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究

文章编号:100225855(2005)0120007204作者简介:吴石(1971-),男,辽宁昌图人,讲师,在读博士研究生,从事船舶振动与噪声控制的研究。

阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究吴　石,张文平(哈尔滨工程大学动力及核能工程学院,黑龙江　哈尔滨　150001) 摘要　采用非结构、非交错网格的有限体积法求解用二方程模型封闭的雷诺平均N 2S 方程组,对水管路系统中3种常见阀门的三维分离流动进行数值模拟。

模拟结果表明,随着蝶阀、闸阀和球阀开度的减小,流体在蝶阀背面、球阀阀门内外分别形成两个方向相反的漩涡,闸阀的漩涡出现在挡板与管道的壁角处,并且漩涡在阀门下游逐渐消失。

同时实验表明,阀门下游的流噪声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。

关键词　阀门;流场;数值计算;流噪声;涡声中图分类号:TB 52 文献标识码:AInvestigated numerically on flow 2f ield of valves andexperimental study of valve 2noiseWU Shi ,ZHAN G Wen 2ping(College of Power and Nuclear Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China )Abstract :The 32D separate flow of three kinds of valves in the water piping is investigated numerical 2ly.The numerical method is to solve the RANS equations using a Finite Volume Method based on an unstructured and collocated grid.Turbulence is taken into account by the standard model.The simu 2lation results show that ,the fluid separately form two vortices in reverse direction at the back of but 2terfly valve and within 2and 2out of ball valve.The vortex at the gate valve emerges in the wall angle of board and piping with the opening angle decreasing of the butterfly valve ,gate valve and ball valve.At one time vortex gradually reduce at downstream of the valve.In the experiment ,the flow noise at valve downstream is bigger than that at the valve upstream ,the valve noise produced by vortex mo 2tion.K ey w ords :valve ;flow field ;numerical simulation ;flow noise ;vortex sound 1　概述无论是在流体机械中,还是在流体传动与控制系统中,都会用到各种各样的阀门,这些阀门装置的主要作用是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制,以满足工作系统的要求。

安全阀流场数值模拟研究

（北京航天动力研究所，北京摘１０７）００６
要：应用计算流体力学软件Ｆｕｎ建立了安全阀三维可压缩流场计算模型。采用标准Ｋ８和ＲａｚｂｅＫ８两种ｌｅｔ・ｅｌａｌ・ｉ
湍流模型，并将两个模型的计算结果与验证实验的测试数据进行对比，确定了更合适的模型。并对安全阀的流场形态和工作特性进行了分析。关键词：安全阀；流场；数值模型；验证试验
中图分类号：Ｔ０７Ｋ３文献标识码：Ａ
ＮｕｅｉａｉｌｆｎｏｒｓｕｅＲｅｅｌｖｎｅｎｌＦｏｍｒｃｌＳｍｕａｏｆＰｅｓｒＨｆＶａｅＳＩｔｒａｌｗｉ
ＣＥｉｎｊｇＬＵＤａ—ｕ，ＤＮａｂ，Ｎｕ・ｉＨＮＤａ－ｎ，ＩｉｋｎＯＧＨｉｏＷＡＧＸｅｂｎｉｎ－（ｅｉｅｏｐｃｒｕｉｎｔｕｅＢｉｎ００６，ｈｎ）ＢｉｎＡｒｓａｅＰｏｌｏＩｓｔｔ，ｅｉ１０７ＣｉａｊｇｐｓｎｉｊｇＡｓａｔＦｕｎｓｄｔｂｉｒｅｄｍｎｉｎｕｅｉｏｅｏｔｒａｆｗｏｒｓｒｒｌｆａｅＰＶ）ｔｄｒｂｔｃ：ｌｅｔｓｅｕｔｈｅ－ｉｅｓａｎｍｒａｍｄｌｆｎｅｎｏｆｅｓｅｅｉｌ（Ｒ．Ｓａａｒｉｕｏｌｔｏｌｃｌｉｌｌｐｕｅｖｖｎｄ
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ：ｐｓｕｅｉｆａｖ；ｎｅｎｌｆｗ；ｕｒｃｌｍｏｅ；ｅｎｔｔｎｔｓｅｒｓｒｒｌｌｅｉｔｒａｏｎｍｅａｅｅｖｌｉｄｌｄｍｏｓａｉｅｔｒｏ

供气调节阀内部流场数值模拟研究

供气调节阀内部流场数值模拟研究文章以过热蒸汽为介质，利用FLUENT软件对供气调节阀进行数值模拟分析，验证了调节阀数值模拟的可行性。

通过数值模拟获得了调节阀内部流场、压力场并进行了分析。

研究成果对揭示调节阀内部场分布规律，改进调节阀性能具有一定的指导意义。

标签：供气调节阀；数值模拟；流场；压力场引言调节阀是过程工业中的终端控制元件，能够完成对流量等参数的控制。

随着调节阀技术的不断发展与自动化程度的不断提高，调节阀已越来越广泛的应用于不同的工业部门。

考虑到调节阀在整个控制系统中的重要地位，对调节阀进行详尽的分析和性能上的改进，对于整个系统性能的提高具有十分重要的意义[1]。

1 调节阀的工作原理与理论流量及流量系数计算方程调节阀是一种节流元件，可以改变通过阀门的流体的流动阻力。

可根据执行机构传来的控制信号，通过改变调节阀芯的行程来改变阀芯与阀座之间的节流面积，继而通过改变阀门的阻力系数，来改变通过调节阀的流量。

对于阀门内流动的流体，可用流体力学方程来描述，伯努利方程可用来描述流动流体机械能的转换关系，应用实际工况下的流体伯努利方程式，可导出流体流过调节阀的流量公式。

闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟

｛０：
的特性。为此，文采用数值模拟方法对阀门气本体内漏喷流声场进行模拟，析其声场特性，阀分为门内漏的声学检测提供依据。
２气体喷流声场方程阀门气体内漏过程发声的理论基础是湍流过程产生的波动压力场，然声源的形成机理复杂，虽
ｔｎｉ５～３ｄｒｈｎｕｐｒｐｓｉｎ，ａｄｒａｈｓｔｅｈｇｅｔｌｖｌｅｒｔｅｅｌｒｅｒｓｕｅｓａｅ，Ｎｕｒａｒｓｌｉｓ１ｏ０Ｂｍｏｅｔａｐｅｏｉｏ￣ｎｅｃｅｈｉｈｓｅｅａｈｎａｇｄｐｅｓｒｐｃｔｎｍｅｉｌｅｕｔｃｓｐｏｉｅａｖｃｎｈｏｙｂｓｓｔｃｕｔｘｍｉａｉｎｏａｖａｎｅｅｋｇ．ｒｖｄｄｉｅａｄｔｅｒａｅｏａｏｓｉｅａｎｔｆｌｅｇｓｉｎｒｌａａｅｃｏｖ
１前言
定律，因此可采用描述流场产生噪声的Ｌｇｔｉｉｈｌｈｌ
气动力声方程，其二维形式表示为：气体阀门内漏过程是一复杂的气体喷流过程，伴随有气动噪声的产生。利用声学方法检并
Ｋｅｏｄ：ｇｔｖｖ；ｉｅａａｅｅａｏｓｃ；ｔｏｎｅ；ｕｅｉｌｉｕａｏｙｗｒｓａａｅｎｒｅｋｇ；ａｒｃｕｔｓｊｕｄｆｌｎｍｒａｓｌｔｎｅｌｎｌｏｉｅｓｉｄｃｍｉ

安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟

安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟安全阀的阀腔流动特性主要表现为下列方面：1. 压降特性安全阀在工作时需通过增加阀腔内气流的阻力，来维持阀门的开启状态，使得管道或容器内的流体不会超过压力范围，从而保护设备的安全。

因此，安全阀在工作过程中，需要保持一个较大的气流压降。

如果气流压降过小，则会导致阀门不能正常地开启，即“开启压力低”；如果气流压降过大，则会导致气流速度过快，增加阀门的磨损和噪音，即“开启压力高”。

2. 流量特性安全阀在开启后，需要排出过载的流体，以便保证设备的正常工作。

因此，安全阀的流量特性对于设备的安全是至关重要的。

现有研究表明，安全阀的流量特性集中在两个方面：一个是稳定流量特性，表现为阀门开启后的流量稳定性，即根据不同开启状态的流量变化情况分析；另一个是快速排空流量特性，表现为阀门开启后流体的排空速度，即根据不同排空方式的流量变化情况分析。

数值模拟是一种有效的研究安全阀阀腔流动特性的方法。

数值模拟指利用计算机技术，通过分析数学模型，进行计算和仿真的方法，模拟现实工程中流体的流动状态，以研究流体在某个条件下的流动特性。

对于安全阀而言，数值模拟可以模拟工作过程中的阀门开启和关闭变化以及流量变化，以更好地了解阀门的流动特性和流量特性。

现有的安全阀阀腔数值模拟方法主要有以下几种：1. 有限元方法有限元方法是一种应用非常广泛的数值模拟方法，可以准确地模拟阀门内部的流动状态，并计算压力、速度等参数，以反映整个流动过程。

不过，有限元方法对计算机性能的要求比较高，需要更大的计算量和更长的计算时间。

有限体积法是一种利用体积平衡原理进行求解的数值模拟方法，可以模拟流动过程中变化的自由表面、液滴以及气泡等现象。

不过，由于本方法计算时间长，不适合用于较为复杂的安全阀阀腔流动特性研究。

3. 边界元法边界元法是一种利用边界条件来求解流动方程的数值模拟方法，适用于较为简单的管道和容器流动分析。

该方法计算速度较快，但对流动的空间变化限制较大，不适合模拟复杂的安全阀阀腔流动特性。

调节阀流量流阻测试与流场仿真分析

第 56 卷第 6 期2019 年 12 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 56　No. 6Dec. 2019·管道与管件·调节阀流量流阻测试与流场仿真分析陈宗杰（国家阀门产品质量监督检验中心（福建），福建泉港 362800）摘要：调节阀是工业生产重要的调流、调压元件，在对调节阀试验过程观测到轻微噪声，解体检查发现套筒有腐蚀。

在对调节阀进行流量流阻测试的基础上，运用Fluent 对其内部流场数值模拟，对比分析试验测试结果与仿真计算结果，验证数值模拟可行性。

仿真所得调节阀流场，能够可视化反映出其内部真实流动规律。

通过研究调节阀流场的压力分布云图和速度分布云图，分析其内件腐蚀的可能原因，并提出相关防范措施。

关键词：调节阀；数值模拟；试验；流量；流阻；腐蚀中图分类号：TQ 055.8；TH134 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2019）06-0063-006收稿日期：2019-05-06基金项目：福建省特种设备检验研究院科研项目（FJTJ2018022）。

作者简介：陈宗杰（1987—），男，工程师，硕士。

主要从事阀门试验研究工作。

调节阀是工业系统中重要的控制元件，主要用于调节管路介质压力和流量[1-2]。

在工业生产中，由于调节阀设计不合理或选型不当，导致大量的噪声产生，甚至内部零件磨损腐蚀[3-4]。

本文在对某一公称直径DN25，公称压力PN16的电动调节阀（图1）进行流量流阻测试时，发现该调节阀有轻微的噪声产生。

阀空化噪声数值分析[7-9]；沈国强等设计了具有大小窗口的套筒调节阀，采用计算流体力学软件分析阀内流体流动规律[10]。

本文在对调节阀进行流量流阻测试的基础上，运用有限元仿真内部流场，对比试验测试与仿真计算结果，验证数值模拟的可行性，根据仿真模拟直观可视的优点，通过研究内部流场压力分布云图和速度分布云图，分析调节阀内件产生腐蚀的可能原因，并提出相关防范措施。

安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟

的改变，并通过试验加以检验证明，历经数次对比分析后，最终设定了安全阀升力曲线的数值模拟分析法。

升力曲线是研究安全阀动作属性的重要基础，其对外呈现出阀腔内介质对阀瓣形成的相对作用力和行程的函数关系。

已知弹簧刚度是影响安全阀动作属性的主要因素之一，通过解读特性曲线，能够测算出瘫痪的最适宜刚度。

本次研究通过拟化阀瓣张开度从35mm 闭合至1.7mm 阶段阀瓣承载的介质推力推导出阀瓣升力曲线。

可以采用式(1)测算出升力系数ρ[3]：(1)式中：F s 为流体于阀瓣上形成的总合力(N)；p 为阀门进口处介质的静压力(MPa)；d 0为流道内径(mm)。

伴随安全阀启闭高层的改变，ρ出现一定变动，阀门构造特征与不同零部件外部形状规格是影响ρ变动幅度大小的主要因素，可以通过仿真分析过程设定。

对阀瓣张开度35～20mm 时介质流线进行分析后，发现当张开度指标不同时阀腔内流体介质速度流线改变基本处于阀瓣周边。

0 引言在核电技术应用阶段，核级阀门是主要耗材类型之一，近些年其需求量有不断增加趋势，在系统运转阶段安全阀起到的保护作用也已被证实。

本文选择一种新型核级安全阀为研究对象，和常规安全阀装置相比较，其最大的不同是将弹簧加载在阀瓣上方，该类安全阀装置在启用高度、排放能力方面占据优势，这是其应用范畴不断拓展的直接动因。

本文采用国际上较为先进的流体仿真技术，通过建模，测算出开度不同时阀腔介质流动属性，解读压力特征，探究启闭动作时阀腔流场波动遵照的规律与相关影响因素。

1 构建安全阀流道模型本文采用的安全阀隶属于直接载荷式安全阀，结构图示见图1[1]。

1—堵头；2—曲轴；3—弹簧罩；4—上弹簧座；5—弹簧；6—阀杆；7—下弹簧座；8—出口法兰；9—压板；10—阀瓣筒；11—阀体组件；12—定位塞；13—导向套；14—阀座；15—入口法兰图1 新型核级安全阀结构示意图利用法兰衔接安全阀和管道，安全阀流道两侧构件呈对称分布特征，本次研究中为减少网格数目、提升分析过程效率，拟定使用有限元软件分析25%模型，同时结合系统管路特征，构建了经简化处理以后的新型核级安全阀流道模型(见图2)[2]。

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文章编号:100225855(2005)0120007204作者简介:吴石(1971-),男,辽宁昌图人,讲师,在读博士研究生,从事船舶振动与噪声控制的研究。

同时实验表明,阀门下游的流噪声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。

因此,从安全、减振及降噪的角度出发对各种阀门附近的流场进行计算,进而对其性能进行分析是十分必要的。

然而,由于阀门结构、边界条件及支配方程的复杂性,对其进行解析研究是比较困难的。

一般采用有限差分法、有限体积法、边界元法和有限元法等几种不同的数值离散方法〔1〕进行分析。

本文针对海水管路系统中的阀门对整个管系的流动影响,采用计算流体力学中常用的非结构、非交错网格的有限体积法,模拟蝶阀、球阀和闸阀3种阀门附近的三维分离流动。

并通过实验研究证明,阀门附近的漩涡〔2〕是阀门产生流噪声的主要原因。

2　数学模型流体在管道内的流动实际是湍流流动,由于湍流过程的复杂性和工程计算的多层次决定了湍流模型的多样性,不同的湍流模型有不同的适应范围。

为确定N 2S 方程中的涡旋粘性系数μ,目前有许多的湍流模型〔3〕可以选择。

本文采用k 2ε二方程湍流模型对阀门内部的流动进行数值模拟。

对于非定常不可压粘性体的流动,因为是不可压流,所以连续方程为・U =0(1)在流体的粘性系数μ=const 的情况下,动量方程为5U 5t+ ・(U U )=-1ρ p +(υ+υt ) 2U(2)湍流涡运动粘性系数计算公式υt =μtρ=Cμk2/ε(3)湍流动能k的输运方程5k5t+ ・(Uk)=v tσk2k+G kρ-ε(4)湍流耗散率ε的输运方程5εt+ ・(Uε)=v tσε2ε+εkCε1Gερ-Cε2ε(5)湍流动能和耗散率生成项G k和Gε的计算公式G k=Gε=μt U・( U+ U T)(6)式中　U———进口介质的速度,m/s　Cμ、Cε1、Cε2、σk、σε———k2ε湍流模型的常数采用非交错网格的有限体积法〔4〕对各控制方程组进行离散,控制体积的界面位于网格各个结点的中间平面上,利用压强校正法求解各个变量。

壁面附近的流动采用壁面函数进行模拟。

3　初边值条件的确定将上述数学模型应用于具有阀门的管道中。

管道内径D=200cm,阀门上游管道长L J=300 cm,下游管道长L C=300cm,其管道内流体温度为室温t=288K,密度ρ=100015kg/m3,运动粘性系数υ=110×10-6m2/s。

粘性流体在管壁边界处或阀门关闭件处,速度的边界条件要满足无滑移条件,即固壁上的速度U=0。

进口边界条件U0=W max1-rR max17式中　W max—,m/sR max———管道直径,cm取W max=110m/s,R max=200cm。

出口边界条件P=0湍流动能k和耗散率ε为k=115I2U02ε=ρCμk2/Uμt =1000Iμ式中　I———紊流强度(取I=0105) 4　数值模拟结果数值模拟的结果表明,当阀门关闭到一定的角度时,在阀门附近开始出现漩涡流动。

蝶阀、闸阀和球阀模拟状态如图1、图2和图3所示。

(a)(b)(a)蝶阀模型　(b)蝶阀附近流速矢量图图1　蝶阀模型及蝶阀附近流速矢量图(a)(b)(a)闸阀模型　(b)闸阀附近流速矢量图图2　闸阀模型及闸阀附近流速矢量图从图1可以看出,由于蝶阀蝶板背面存在局部低压区,从蝶板上方越过的流体部分折向下方流,从蝶板下方流过的流体部分折向上方流,形成2个大小相近、方向相反的漩涡。

在这2个漩涡向下游发展过程中,相互作用,逐渐减弱。

当蝶板关闭的角度继续增大时,回流区域也逐渐增大,并控制整个流场结构,在蝶板的上方和下方分别形成两个很大的回流区,回流中心的压力最低。

当蝶板关闭角度较大时,蝶板下游出现大范围的回流区控制着流场结构。

在蝶板关闭角度较小时,在与管道轴线垂直的截面上形成一对大小相近、方向相反的漩涡控制着流场。

从图2可以看出,闸阀只有一个漩涡,出现在闸板与管道的壁角处,向下游发展并逐渐消失。

(a )(b )(a )球阀模型　(b )球阀附近流速矢量图图3　球阀模型及球阀附近流速矢量图从图3可以看出,从球阀球体下方流过的流体部分折向上方流,在球阀内形成与流动方向相反的漩涡。

同时在球阀外形成一个与球阀内漩涡大小不等,方向相反的漩涡,且球阀的外涡形成在阀门外的壁角处,阀门外的涡量大于阀门内的涡量。

3种阀门的漩涡形成的位置不同,并且由于阀门结构不同,涡的尺度也不同。

通过数值模拟,从阀门下游流场图可以看出,随着阀门开度的减小,球阀阀门后涡的尺度增大。

另外由以上数值计算结果可以得知,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。

可以说,阀门的节流作用是以流动的能量损失为代价的,阀门开度越小,能量损失越大。

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。

5　实验研究及结果分析在水管路实验台架中,采用平齐式安装压力传感器的方法,在阀门的上游与下游分别安装压力传感器,在不同的流量下,测量蝶阀、闸阀和球阀3种类型的阀门噪声,得到阀门上下游的压力信号频谱图(图4、5和6)。

为了避免管路上其他附件的影响,测量阀门噪声时,将阀门安装在管路的中央,在泵端和出口端安装了两台水管路消声器,以衰减流噪声的传递干扰。

测试结果表明,从阀门开度看,阀门全开时,上游噪声大于下游噪声3～5dB 。

随着开度的减小,下游噪声逐渐大于上游噪声。

阀门前后噪声随着阀门开度的减小,噪声在阀门上下游都有增加的趋势,下游噪声增加的更大。

从上下游流噪声声压级差值分析,上下游差值不大,只有几分贝。

但随着阀门开度的减小,流量为50m 3/h 和流量为80m 3/h 相比,闸阀上游流噪声增加了2316dB ,下游流噪声增加了3115dB 。

蝶阀上游流噪声增加了1916dB ,下游流噪声增加了2717dB 。

球阀上游流(a )(b )(a )流量Q =75m 3/s (b )流量Q =50m 3/s图4　蝶阀上、下游测点噪声频谱图(a )(b )(a )流量Q =80m 3/s (b )流量Q =50m 3/s图5　闸阀上、下游测点噪声频谱图(a )(b )(a )流量Q =70m 3/s (b )流量Q =50m 3/s图6　球阀上、下游测点噪声频谱图噪声增加了2613dB ,下游流噪声增加了3114dB 。

可见阀门噪声对管路噪声影响很大。

由动态仿真的阀门附近流场图可知,流体流经阀门时,下游出现了大小不等的涡。

在流速较低的情况下,不考虑质量源和体积源,只考虑流动发声时,根据Powell 方程,得到流动激声的波动方程〔5〕2p ′-1c 052p ′5t 2=-ρ ・ω×u +u22(8)式中　p ′———压力波,m　ω———涡量　u ———流体质点的速度,m/s由涡声理论可知,阀后出现的漩涡是阀门流噪声的主要声源之一。

在流速较低时,式(8)右侧得ω×u 是产生流噪声的源,其涡量越大,源强越强,产生的噪声越大。

试验时,当阀门全开时,没有涡产生,流噪声沿管路衰减,上游噪声大于下游。

当阀门开度减小,在阀门产生涡,随着阀门开度的不断减小,涡的尺度增大,涡量变大,阀门的噪声增加。