閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場的數(shù)值模擬的探討

楊連成 謝建國 楊杰

摘要：氣體閥門對于整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性都有直接的影響，閘閥氣體內(nèi)漏對于系統(tǒng)運(yùn)行有著極為不良的影響，會(huì)提高設(shè)備故障和安全事故發(fā)生的概率，通過對閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠?qū)β晥龅奶卣饕约斑\(yùn)行具體情況進(jìn)行掌握，為聲學(xué)檢測提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。因而本文就基于氣動(dòng)聲學(xué)方程對多種開度情況下的閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

關(guān)鍵詞：閘閥氣體內(nèi)漏;噴流聲場;數(shù)值模擬

引言：當(dāng)閘閥氣體內(nèi)漏問題形成之后，內(nèi)漏期間氣體噴流的過程具備明顯的復(fù)雜性，氣動(dòng)噪聲也會(huì)同步形成，通過對聲場的數(shù)值模擬分析，來對噪聲情況進(jìn)行檢測和分析，從而對閥門內(nèi)漏情況加以判斷、預(yù)估。閥門截流區(qū)域處于持續(xù)動(dòng)態(tài)流動(dòng)變化的狀態(tài)，對于氣體噴流聲場各項(xiàng)特征的分析，需要利用數(shù)值模擬才能保證特征分析的準(zhǔn)確性與可靠性，因此對其進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場計(jì)算方程參數(shù)分析

閥門氣體在產(chǎn)生內(nèi)漏之后，噪聲的形成是由于閥門水流以比較快的速度流動(dòng)，形成湍流，在持續(xù)流動(dòng)的過程中就會(huì)形成波動(dòng)壓力，噪聲的形成來源比較多，其機(jī)理具有明顯的復(fù)雜特性。當(dāng)閘閥氣體產(chǎn)生泄漏的過程中，流體的質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒依然保持的規(guī)律狀態(tài)，如此對應(yīng)描述流場噪音形成的氣動(dòng)力聲方程就能夠應(yīng)用于閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場的計(jì)算當(dāng)中，需要獲取的方程參數(shù)就有聲壓（p），以Pa為單位;還有均勻介質(zhì)中的聲速（c0），以m/s為單位;外加生源處理時(shí)的應(yīng)力源（f）。在氣體內(nèi)漏產(chǎn)生之后，噴流是以噴射的方式形成柱體水流，流動(dòng)的過程中會(huì)因輻射而產(chǎn)生噪音，氣流的分布狀態(tài)也處于不均勻的狀態(tài)，就導(dǎo)致氣流對聲音傳播與輻射產(chǎn)生相應(yīng)的干擾影響，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還需要對噴流的速度參數(shù)對于噴流噪音的干擾作用進(jìn)行同步考量。噴柱不同方位的擾動(dòng)速度都需要進(jìn)行考量，以ux、uy表示，單位為m/s。

二、閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場的數(shù)值模擬研究

通過對閘閥氣體內(nèi)漏噴流聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠?qū)π孤┢陂g聲場的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而對聲場的一些代表性特征進(jìn)行明確，由于閥門泄漏時(shí)，閥門在截流時(shí)，流質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)具有較強(qiáng)的不確定性，比較復(fù)雜，若是應(yīng)用正常的理論方法對氣體噴流聲場特點(diǎn)進(jìn)行分析具有較大的難度，應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行分析具備可靠性，下面就對其數(shù)值模擬進(jìn)行展開研究。

（一）計(jì)算方程精度強(qiáng)化處理

在進(jìn)行方程計(jì)算時(shí)，在Lighthill氣動(dòng)聲學(xué)方程的基礎(chǔ)上，需要在此進(jìn)行離散處理，應(yīng)用變系數(shù)離散方程，以此提高二階計(jì)算的精準(zhǔn)度，以此就要對時(shí)間步長與空間步長進(jìn)行明確和應(yīng)用。

（二）數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域與邊界條件

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，要對計(jì)算區(qū)域和邊界條件進(jìn)行清晰確定，本次數(shù)值模擬將計(jì)算區(qū)域設(shè)置為60乘40的矩形范圍，時(shí)間步長取值為0.004，空間步長取值為0.01，將聲速參數(shù)設(shè)置為1。關(guān)于邊界條件，將閘閥的壁面設(shè)置為全反射邊界，遠(yuǎn)離截流口位置有吸收邊界，要將氣體內(nèi)漏噴流擾動(dòng)速度，以速度函數(shù)的形式轉(zhuǎn)換成離散方程變系數(shù)矩陣。

（三）聲場當(dāng)中聲源與聲壓分析

當(dāng)閘閥氣體內(nèi)漏時(shí)，聲場內(nèi)部的聲源具備多樣化與紛雜的特性，因此就可以認(rèn)為聲場當(dāng)中的聲源是由單極子、偶極子以及四極子聲源來共同組合形成聲場內(nèi)的聲源結(jié)構(gòu)，其中四極子聲源在內(nèi)漏噴流噪聲結(jié)構(gòu)當(dāng)中占據(jù)主體位置，因而就選擇四極子聲作為噪音的聲源結(jié)構(gòu)。對于聲壓（單位Pa）的分析，需要對噴口當(dāng)量直徑（D，單位米）、氣體密度（ρ0，單位kg/m3）、噴柱速度（U，單位m/s）以及馬赫數(shù)（M）這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行明確，還要應(yīng)用對比例常熟Ks（0.0825）來與各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行相乘，獲得聲源表面的聲壓數(shù)值[1]。

（四）聲場初始狀態(tài)的明確

在閘閥截流的位置，流質(zhì)通道比較復(fù)雜，可以應(yīng)用相應(yīng)軟件，來將工況設(shè)置成相同的狀態(tài)，只將閥門的開度作為變量，對不同開度情況下的閘閥流場運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬之下，在一次截流的位置，需要獲取噴柱速度、聲源聲壓、噴柱速度和馬赫數(shù)等參數(shù)。在第二次截流位置，需要獲取馬赫數(shù)、聲源聲壓等參數(shù)

（五）聲場模擬與結(jié)果

1.聲場的影響因素

在閘閥氣體內(nèi)漏期間，氣體的湍流流動(dòng)和閥體壁面的影響作用下，內(nèi)漏的噪聲分布會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，具備明顯的復(fù)雜特性。內(nèi)漏時(shí)，閘板與閥體的底面之間會(huì)構(gòu)建擴(kuò)壓空間，第一次截流產(chǎn)生的噪聲和第二次截流產(chǎn)生的噪聲會(huì)在擴(kuò)壓空間的位置，產(chǎn)生相互作用的狀態(tài)，最終會(huì)導(dǎo)致大量的聲渦出現(xiàn)，在擴(kuò)壓空間當(dāng)中形成的聲場力度最強(qiáng)。在不同閥門開度狀態(tài)下，閥門開度越小時(shí)，擴(kuò)壓空間也會(huì)比較小，空腔內(nèi)部的聲壓也會(huì)隨之變小，因而閥門開度與擴(kuò)壓空間大小、空腔內(nèi)部聲壓之間是成正比例變化關(guān)系。而下游的聲場強(qiáng)度在不同的開度狀態(tài)下，變化不是非常明顯，但是聲場指向性受開度變化的影響比較明顯。

2.下游聲場的指向性

在開度不同的狀態(tài)下，最大聲壓的方位角具備差異性，在二次截流口兩側(cè)閥體壁面和噴柱的共同作用下，內(nèi)漏噴流噪聲的傳播具有方向性。開度不同會(huì)直接導(dǎo)致噴射的角度與形成的噴柱形狀會(huì)產(chǎn)生差異，就會(huì)對下游聲場的指向性產(chǎn)生影響作用，聲場分布也均不相同。當(dāng)開度變小的情況下，下游聲場的總強(qiáng)度值會(huì)隨之變小，聲壓方位角會(huì)變得劇烈，局部聲壓比較高，指向性顯著。當(dāng)閥門的開度在0以下或者為0時(shí)，下游聲場的分布沒有明顯的差異。

3.上下游聲場強(qiáng)度的對比分析

上游與下游的在聲場傳播期間，聲場強(qiáng)度會(huì)受到截流口處距離的影響，而產(chǎn)生衰減，上游與下游對比來分析，衰減的速度比較大的是上游聲壓。當(dāng)截流口處距離參數(shù)保持一致的狀態(tài)下，下游與上游的聲壓最大值會(huì)存在比較明顯的差異，一般下游聲壓數(shù)值最少會(huì)高出15dB，最大情況會(huì)高出30dB[2]。而當(dāng)閥門開度變化時(shí)，開度值越小的情況下，上游與下游的聲壓差值會(huì)隨之變大。究其原因是上游的聲場擴(kuò)散性能比較強(qiáng)，傳播的縫隙會(huì)隨著開度變小而收縮，下游的噪聲是通過輻射而直接傳播，聲場的強(qiáng)度就因此出現(xiàn)較大的差異。

結(jié)束語：通過數(shù)值模擬分析，內(nèi)漏噴流噪聲傳播影響因素包括內(nèi)漏氣流噴柱擾動(dòng)、閘閥內(nèi)壁反射等，具備明顯方向性，在閥門開度變化的情況下，噴柱形狀與噴射角度的不同會(huì)使下游聲場指向與聲壓分布同步產(chǎn)生變化，聲壓最強(qiáng)的位置是在閘板與閥體內(nèi)壁面構(gòu)建的擴(kuò)壓空間區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

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