DN65通海閥聲學(xué)特性分析

2015-04-11 石磊 海軍駐武漢七一九所軍事代表室

  以典型DN65通海閥為對(duì)象,采用數(shù)值仿真的手段,對(duì)通海閥聲學(xué)現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析研究。同時(shí),利用LMS振動(dòng)測試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行了測試,對(duì)比分析仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試的結(jié)果,證明了仿真計(jì)算的可信性和正確性。

  通海閥作為管路系統(tǒng)的重要組成部分,除了其自身流體控制功能外,還是管路系統(tǒng)的噪聲源之一,對(duì)系統(tǒng)流噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲均有明顯的影響。當(dāng)流體通過閥門時(shí),其流動(dòng)狀況發(fā)生激烈的變化;由于閥板的節(jié)流作用,流體在閥門前后激烈地混攪、沖擊,同時(shí)壓力也有劇烈的變化。從流體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解釋,流體在閥前具有較高的壓力勢能,通過閥門時(shí),流體加速,使勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能;同時(shí)有一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷,以噪聲的形式輻射出來。大多?shù)情況下,閥門下游的噪聲比上游更強(qiáng)烈。

  本文以典型DN65通海閥為研究對(duì)象,通過流體動(dòng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)有限元分析等技術(shù)手段,對(duì)DN65通海閥的流體性能、流動(dòng)噪聲性能進(jìn)行研究。同時(shí),利用LMS振動(dòng)測試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行了測試,對(duì)比分析仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試的結(jié)果,證明了仿真計(jì)算的可信性和正確性。

1、流場特性分析

  以典型DN65通海閥為研究對(duì)象,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件中FLUENT[8,9]對(duì)閥件內(nèi)部流道的流動(dòng)特性和噪聲特性進(jìn)行分析。流場分析過程中,流體為不可壓縮的牛頓流體。流體密度:1025 kg/m3;動(dòng)力粘度:0.001 054 kg/m·s。根據(jù)實(shí)際工作狀況,DN65通海閥的過流量約為20m3/h,按照雷諾數(shù)計(jì)算公式Re = ρ∙v∙lμ,DN65通海閥的雷諾數(shù)約為72 409,遠(yuǎn)大于2300,因此,通海閥內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)均為湍流,故選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。分析時(shí),設(shè)定通海閥入口為速度入口,出口為自由出流,壁面邊界為靜止壁面。

  分析步驟為:對(duì)通海閥建立模型→對(duì)模型劃分網(wǎng)格→將網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT軟件→設(shè)定計(jì)算邊界條件→計(jì)算求解→查看結(jié)果。

  1.1、DN65 通海閥聲學(xué)現(xiàn)狀仿真分析

  按照實(shí)際工作工況,對(duì)該閥的分析為由底部進(jìn)水、側(cè)部出水和由側(cè)部進(jìn)水、底部出水兩種工況。首先對(duì)通海閥內(nèi)流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,計(jì)算收斂后,給出不同方案縱截面的速度分布、壓力分布和聲功率級(jí)分布,如圖1~圖6所示。

  由圖1~圖6可知,當(dāng)流體流至閥內(nèi)時(shí),壓力值較大,速度值較低,隨著過流面積的減小和流動(dòng)阻力,壓力減小,速度增大。DN65通海閥最大噪聲均出現(xiàn)在喉頸部,差別在于底部進(jìn)水時(shí)最大噪聲出現(xiàn)在喉頸部靠閥壁側(cè),側(cè)部進(jìn)水時(shí)最大噪聲出現(xiàn)在喉頸部靠閥桿側(cè),且側(cè)部進(jìn)水時(shí)在閥盤肩部外側(cè)區(qū)域噪聲較大。

DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面壓力分布

圖1 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面壓力分布

DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面速度分布

圖2 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面速度分布

DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

圖3 DN65 通海閥底部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面壓力分布

圖4 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面壓力分布

DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面速度分布

圖5 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面速度分布

DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

圖6 DN65 通海閥側(cè)部進(jìn)水中剖面噪聲聲功率級(jí)分布

  1.2、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

  采用FLUENT對(duì)流場進(jìn)行分析,提取不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)壁面的脈動(dòng)壓力,將脈動(dòng)壓力作為激勵(lì)力,施加在通海閥的結(jié)構(gòu)有限元模型中,在ANSYS中計(jì)算通海閥的振動(dòng)響應(yīng),并分析振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。三種規(guī)格通海閥結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖7~圖9所示。

DN125 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總形變云圖

圖7 DN125 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總形變云圖

DN100 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

圖8 DN100 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

DN65 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

圖9 DN65 通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)總變形云圖

  由圖7~圖9可看出,通海閥結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果顯示閥體內(nèi)響應(yīng)極值出現(xiàn)在閥腔上部,而位移在閥腔上部和下部的一些位置都處于較高水平。閥體的流速和噪聲的極值都出現(xiàn)在出水口后的湍流部分。另外,從量級(jí)來看,結(jié)構(gòu)的變形值在10-8m左右,相對(duì)于閥體壁厚10-2m,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變形值為極小值可以忽略,即從聲學(xué)上來講,流體脈動(dòng)對(duì)閥體的激勵(lì)引起的噪聲可以忽略。

  1.3、模態(tài)分析

  為了比較仿真分析的結(jié)果與實(shí)際差異,考核驗(yàn)證DN65通海閥的聲學(xué)特性。通過搭建DN65通海閥的測試試驗(yàn)平臺(tái),利用LMS振動(dòng)測試儀器對(duì)DN65通海閥的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)、測試儀器及測試過程見圖10~圖12。測試后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,提取前10階模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼如表1所示。

DN65通海閥聲學(xué)特性分析

圖10 測試系統(tǒng)框圖

DN65通海閥聲學(xué)特性分析

圖11 測試儀器照片

DN65通海閥聲學(xué)特性分析

圖12 測試過程照片

表1 DN65 通海閥模態(tài)測試結(jié)果

DN65 通海閥模態(tài)測試結(jié)果

  通過在ANSYS 軟件中設(shè)置材料屬性參數(shù)泊松比(0.36)、密度(8.5t/m3)、楊氏模量(102GPa)等后進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。圖13為DN65通海閥模態(tài)分析結(jié)果。

DN65 通海閥模態(tài)分析結(jié)果

圖13 DN65 通海閥模態(tài)分析結(jié)果

  由于仿真分析和試驗(yàn)測試不可避免的差異性,且模態(tài)分析時(shí)一階模態(tài)頻率是結(jié)構(gòu)分析的主要關(guān)心值,試驗(yàn)測得一階固有頻率為704.4Hz,仿真分析一階固有頻率為645.3Hz,兩者的差異約在8.4%,因此,可以證明仿真分析的結(jié)果是正確可信的。

2、結(jié)論

  從計(jì)算出的通海閥初步分析結(jié)果可知:節(jié)流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴(yán)重,說明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產(chǎn)生噪聲的主要因素。

  當(dāng)流體流經(jīng)閥門時(shí)產(chǎn)生的能量損失主要是流動(dòng)收縮引起的能量損失,漩渦的旋轉(zhuǎn)要產(chǎn)生能量損失,流動(dòng)的擴(kuò)張要產(chǎn)生能量損失。同時(shí)由于湍流的作用和漩渦的出現(xiàn)使海水管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲增大。對(duì)海水管路系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大的負(fù)面影響。

  流體通過閥芯節(jié)流口時(shí),由于過流斷面面積突然減小,則流速增大,壓力減小。而且,產(chǎn)生流動(dòng)脈動(dòng)的原因是由于速率的變化而不是速率的大小。同時(shí)由于每一個(gè)彎頭、斷面突擴(kuò)或突縮都會(huì)引起局部壓力損失,出口處的壓力要比入口處小。節(jié)流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴(yán)重,說明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產(chǎn)生噪聲的主要因素。所以流體流過閥門時(shí),應(yīng)控制其壓力降不要太大,一般應(yīng)大大低于該流體的臨界壓力比。