Page 147 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 施红旗等： 船用三通调节阀流 -固耦合噪声数值模拟 143

以相同幅值振动的单极子声源构成。模型图如图 1
0 引言
所示。
随着我国对船舶总体性能要求的提升，船用阀
门作为船舶使用装备中重要的压力元件，学者们对
其技术要求也不断提高。三通调节阀作为船用阀门 - +
中重要的调节元件，是保障系统正常安全运行的关
键所在，因此准确分析实际工作工况下的噪声，对三
通调节阀乃至整个系统安全运行具有重要意义。 图 1 偶极子声源模型图
近年来，国内外学者对阀门噪声进行了较多研 Fig. 1 Dipole sound source model diagram
究。文献 [1–2] 做了超临界多级套筒调节阀空化抑
偶极子声源产生声压的空间部分可表示为
制模拟研究，另外针对蒸汽疏水阀在高温高压工况 A e −jkr
的过热蒸汽导致的振动噪声问题，设计了节流降压 p (r, θ) = jkρc 4πr 2 (1 + jkr) cos θ, (1)
消声器；文献 [3] 以一种小流量调节阀为研究对象， 其中：ρ 为介质密度；c 为声波传播速度；θ 为相位角；
计算了在内部湍流作用下阀门壁面结构振动导致 r 为声源半径。
的外部噪声；文献 [4] 用数值模拟与实验验证的办 1
kr = , (2)
法研究了阀门应力与振动激励的关系；文献 [5] 提 tan θ
式(2)中：kr 为方便计算引入的相位角。
出了一种分析流动引起的噪声问题的仿真技术，该
三通调节阀在偶极子声学激励下，噪声产生机
技术结合了计算流体动力学 (Computational fluid
dynamics, CFD)、边界元法和气动声学时间反转源 理如图 2 所示。图中 AWPF(Acoustic wall pressure
fluctuation) 指声学压力波动；TWPF(Turbulent
定位方法确定了涡旋脱落频率下气动声源的性质；
wall pressure fluctuation) 指湍流压力波动；阀门
文献 [6] 进行了实验和模拟，发现产生的噪声并不
在工作时，流体介质处于湍流状态。流体介质向四
取决于流入速度条件，而是取决于管道的声学和振
周传播，辐射出流动噪声与阀及阀控管系内壁面
动频率特性。
声 -固耦合产生振动噪声。此外，流体介质除了内
以上研究分析了相关声学理论及两通阀噪声
部湍流产生的噪声外，还包括流体介质与阀及阀控
数值模拟，但是尚无对于合流型三通阀的噪声数值
模拟方法研究。为此，基于流 -固耦合理论，同时考 管系内壁面的振动辐射噪声。综合考虑以上两种声
虑流-固耦合面及流体域脉动声源，开展船用三通调 源，采用流-固耦合理论开展三通调节阀噪声数值模
拟研究。流-固耦合技术路线图如图3所示。
节阀实际工作工况下 80% 及 60% 开度下的噪声数
值模拟研究。 Яᦊ AWPF
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1 三通调节阀噪声理论分析 ᏹՌ ᫃ ᫙᫃
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机械振动噪声、流体动力噪声、流体空化噪声 ܞ᭧ AWPF ᭧
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是阀门振动噪声的主要来源，由于阀门内部零件加 ืڍ
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工、装配精度均满足设计要求，故该阀不会产生机
械振动噪声。三通调节阀介质为淡水，主通与旁通 图 2 三通调节阀噪声产生机理
压力 1 MPa 左右，远高于淡水的饱和蒸气压力，故 Fig. 2 Noise generation mechanism of three-way
regulating valve
不会产生空化噪声。综上可得三通调节阀研究过程
中主要考虑流体动力噪声。流体动力噪声指由流体 2 分析模型
中物体的阻碍作用导致流体流场剧烈变化从而产
生辐射的噪声称之为流体动力噪声。噪声声源体为 2.1 三通调节阀结构模型
流-固耦合作用的偶极子。 建立三通阀的模型结构，三通调节阀的技术要
偶极子声源是指两个距离很近、相位相反，并 求如表1所示。模型三维视图如图4所示。