調節閥噪聲分析與氣穴研究

　　以套筒式調節閥為研究對象，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)知識和噪聲理論對其內部流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到套筒式調節閥產(chǎn)生振動(dòng)的原因，并找出了調節閥內流道中產(chǎn)生氣穴現象的位置。通過(guò)CFD數值模擬，計算出在某一開(kāi)度下調節閥的速度矢量圖，并與理論分析的氣穴現象進(jìn)行對比分析。該理論分析和CFD技術(shù)的采用，使得低噪聲、高性能的套筒式調節閥的設計周期更短，成本更低，效果更好。

　　調節閥是由執行機構和閥門(mén)部件2部分組成。執行機構是調節閥的驅動(dòng)裝置，它按信號壓力的大小產(chǎn)生相應的推力，使推桿產(chǎn)生相應的位移，從而帶動(dòng)閥芯動(dòng)作;閥門(mén)部件是調節閥的調節部分，直接與介質(zhì)接觸，通過(guò)執行機構推桿的位移，改變調節閥的節流面積，達到調節的目的，同時(shí)它也是噪聲的主要發(fā)生源。

　　套筒式調節閥是一種特殊的調節閥，典型的結構如圖1所示。其閥體與直通單座式閥體相似，但閥內有1個(gè)圓形套筒，套筒四周有不同形狀的開(kāi)口，要根據流通能力大小來(lái)設計窗口的數量。利用套筒導向，閥芯可以在套筒中上、下移動(dòng)，并實(shí)現流量調節。由于套筒調節閥采用平衡型的閥芯結構;因此不平衡力小、穩定性好、不易振蕩，從而很大程度上改善了原有閥芯容易損壞的現象。

　　噪聲污染已經(jīng)成為世界公認的4大污染源之一，各國都投入巨資治理噪聲，人們對噪聲控制提出了更高的要求。調節閥常常是管路系統中的噪聲源，當壓力降到一定臨界值時(shí)，容易引起氣穴、氣蝕現象，并伴有流體噪聲和振動(dòng)。調節閥流道結構是影響調節閥產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵因素;因此，對調節閥結構的研究是很有必要的。

圖1 套筒式調節閥

1、調節閥噪聲產(chǎn)生的原因

　　1.1、機械振動(dòng)產(chǎn)生噪聲

　　調節閥產(chǎn)生的機械噪聲主要來(lái)自閥芯、閥桿和一些可以活動(dòng)的零件，主要原因是受介質(zhì)壓力波動(dòng)的影響或者介質(zhì)的沖擊，還有就是由于調節套筒外圓和閥體導向裝置之間有較大的間隙。機械振動(dòng)會(huì )引發(fā)剛性碰撞，產(chǎn)生的聲音是金屬響聲和敲擊聲，噪聲幅值的大小由碰撞的能量、振動(dòng)體的質(zhì)量、阻尼、剛度等決定，這種振動(dòng)頻率一般<1500Hz。

　　1.2、氣體動(dòng)力產(chǎn)生的噪聲

　　當氣體介質(zhì)經(jīng)過(guò)調節閥的節流孔時(shí)，會(huì )產(chǎn)生氣體動(dòng)力噪聲，多為一種漩渦脫離聲。通過(guò)大量研究表明，當氣體流速比聲音速度低時(shí)，噪聲主要是因為強烈的擾流產(chǎn)生的;當氣體流速比聲音速度大時(shí)，介質(zhì)就會(huì )產(chǎn)生沖擊波，此時(shí)噪聲會(huì )急劇增加。一般情況下，可壓縮介質(zhì)流經(jīng)調節閥產(chǎn)生的噪聲是最嚴重的。

　　1.3、液體動(dòng)力產(chǎn)生的噪聲

　　當液體介質(zhì)經(jīng)過(guò)調節閥的節流孔時(shí)，會(huì )產(chǎn)生液體動(dòng)力噪聲。當液體經(jīng)過(guò)節流口時(shí)，由于節流口面積的急劇變化，流通面積縮小，流速升高，壓力下降，易產(chǎn)生阻塞流，產(chǎn)生閃蒸和空化。一般情況下，當節流口前后壓差不大時(shí)，調節閥噪聲很小，可以不考慮噪聲問(wèn)題;但當節流口兩側壓差過(guò)大時(shí)，就會(huì )有閃蒸現象產(chǎn)生，從而存在氣、液兩相流，兩相介質(zhì)的減速和膨脹作用自然形成了噪聲。開(kāi)始出現空化的點(diǎn)即稱(chēng)為臨界點(diǎn)，此時(shí)調節閥的壓差為Δpc(開(kāi)始空化時(shí)調節閥壓差)，完全達到空化時(shí)的壓差為ΔpT。

　　流體流動(dòng)噪聲(Δp≤Δpc)：

　　初始空化噪聲(Δpc<Δp<ΔpT)：

　　完全空化噪聲(Δp>ΔpT，且p2>pv)：

　　式中，LP是介質(zhì)動(dòng)力噪聲的聲壓級，以調節閥下游1m，并離管道1m處測量，單位為dB(A);KV是特定流量下的流量系數;Kc是初始空化系數;FL是液體壓力恢復系數;H是管道壁厚;Δp是調節閥前后壓差;pv是液體飽和蒸汽壓;p1是閥前壓力;p2是閥后壓力。

　　可以看出，壓差和流速對噪聲的影響最大。速度越高，壓差越大，噪聲也就越大。當然，流量系數、直徑、壁厚、溫度等因素都會(huì )對噪聲產(chǎn)生影響。

2、數值模擬

　　2.1、流道建模與網(wǎng)格劃分

　　計算模型采用圖1所示的套筒式調節閥，通過(guò)三維建模軟件UG建立調節閥簡(jiǎn)化結構，進(jìn)出口直徑都為80mm，套筒窗口尺寸按設計計算值。進(jìn)行仿真分析前，要對流體部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)布爾運算得到調節閥在不同開(kāi)度下的三維流道圖，并保存成.step格式。通過(guò)ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算網(wǎng)格數為30萬(wàn)個(gè)。

　　2.2、Fluent采用的設置

　　將.msh文件導入Fluent，設置后進(jìn)行計算。本算例湍流模型采用標準的K-ε模型，離散方程的求解方法采用非結構網(wǎng)格上的SIMPLE算法，速度壓力場(chǎng)采用隱式的全場(chǎng)迭代解法，邊界條件規定進(jìn)口總壓力與出口壓力。設定好上述求解控制方程后，即可求得不同開(kāi)度的閥芯模型。

　　2.3、仿真結果分析

　　仿真結果如圖2所示�？梢钥闯�，流體經(jīng)過(guò)節流口A(yíng)時(shí)，流速突然增大，壓力迅速降低，在節流口附近出現了很低的負壓，當壓力降到一定程度時(shí)，隨之而來(lái)的是閃蒸、空化現象。這一現象從圖3所示的調節閥某一開(kāi)度下的速度云圖也可以得到驗證。因此，要改進(jìn)結構，盡量提高負壓值，減小負壓區域，才能夠降低噪聲。閥芯拐角處出現了大的壓力降，此處產(chǎn)生漩渦區并造成能量損失，減小能量利用率。

圖2 調節閥計算流線(xiàn)圖

圖3 調節閥計算速度云圖

3、調節閥噪聲降低的方法

　　要從根本上消除調節閥的噪聲，就應該從聲源來(lái)進(jìn)行處理，設計機構新穎的低噪聲閥芯，在產(chǎn)生噪聲的地方，把流速和壓差降下來(lái)。通常采用如下2種方法。

　　1)設計迂回通路。在閥芯節流處設計隔開(kāi)的、細小的迂回通路，這種流路由于介質(zhì)和邊界層的湍流切應力作用，形成黏性應力，使壓力降的百分數比最大化。

　　2)采用階梯式閥芯結構。設計多級階梯式閥芯結構，當介質(zhì)流過(guò)特殊的閥芯和閥座，使介質(zhì)密度變化，壓力降低，減緩了介質(zhì)流速。這種方法尤其適用于液體易于產(chǎn)生空化的場(chǎng)合。

4、結語(yǔ)

　　通過(guò)調節閥的噪聲預估計算公式的分析，找到了調節閥產(chǎn)生噪聲的原因;同時(shí)，通過(guò)CFD技術(shù)對調節閥內部流場(chǎng)進(jìn)行可視化仿真模擬，找到了噪聲源，并認為介質(zhì)在經(jīng)過(guò)節流口時(shí)，由于流速、壓降增大，空化和閃蒸現象極易產(chǎn)生，噪聲會(huì )明顯增加。本文提供了降低調節閥噪聲的2種方法，為今后設計高性能、低噪聲的調節閥提供了有效的思路。