基于CFD的船用核動力裝置邊界電磁閥泄漏流噪聲場仿真研究

吳猛猛，張 鑫，楊家軒

（1. 海軍潛艇學院，山東青島 266199；2. 中國科學院聲學所，北京 100190）

0 引 言

電磁閥在管路系統中起到接通和阻斷管路中工作介質的作用，適用于高溫、高壓、介質為飽和熱水或蒸汽的自動控制系統中[1]。電磁閥作為船用核潛艇核動力裝置邊界閥門，是穩壓器壓力水位控制的重要設備。一旦該閥發生內漏，將會對核動力裝置運行安全造成嚴重影響[2]。例如美國三里島核事故的發生，其中一個很重要的原因就是穩壓器的釋放閥內漏造成的；再如2015年10月美國康涅狄格州一座核電站發生一起低級別的緊急事件，也是由關閉冷卻系統上的安全閥泄漏引起的。

本文在分析閥門泄漏流噪聲機理的基礎上，構建了船用核動力裝置邊界電磁閥的模型，利用Flucnt流體分析軟件對電磁閥內漏的流場和聲場進行仿真，并對影響流場和聲場的各種因素進行研究。

1 理論基礎

壓力管路閥門泄漏時，流體在壓差作用下經閥門不密封處（縫隙）流出，并呈束狀噴射，即形成噴射射流。圖1給出了泄漏孔處的射流速度變化。泄漏孔處的射流初始速度為u0，泄漏孔直徑為D。從泄漏孔快速流出后與周圍靜止流體相互作用形成不同速度分區：混合區、過渡區和充分發展區[3-4]。在混合區，射流中充滿渦旋，對周圍流體產生卷吸效應，被卷吸的流體與射流一起運動；在過渡區，由于射流與周圍靜止的黏性流體發生摻混，阻力增大，邊緣流速降低；在充分發展區，射流發展到射流邊界層和射流中心，并全面發展成紊流[5]。

圖1 射流速度示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet velocity

閥門內漏產生噪聲與湍流射流中的旋渦結構的產生與發展有直接關系[6-7]。流體流動的本質是渦運動，當雷諾數Re較小時，流動狀態為層流，并呈穩定渦或層流渦街的狀態；隨著雷諾數Re的增大，層流向湍流狀態轉變，并由線性渦街向湍流渦街發展。當閥門內漏時，閥門附近開始產生渦，且尺度逐漸增大，渦量增強，引起流噪聲的急劇增大，因此閥門內漏流場旋渦是閥門內漏噪聲產生的主要原因。同時閥門內漏的孔徑大小、管內介質流速等是影響閥門渦量的主要因素[8]。

根據式（1）可知，閥門的內漏噪聲主要與閥門結構形式、閥門前后壓差、流體種類以及閥門是否空化等因素相關[9-10]。本文主要通過數值模擬研究閥門的工作壓力、閥門流體種類以及閥門空化等因素對閥門內漏的流場和聲場的影響。

2 數值模擬

利用ANSYS Flucnt流體分析軟件對電磁閥內漏流場和聲場進行仿真計算，具體方法如下：首先利用CAD軟件構建電磁閥模型，然后利用ANSYS軟件包 mcsh軟件進行網格劃分，之后再進行流場仿真計算，同時基于 Ligthill的聲比擬方法進行聲場計算，最后得到閥門內漏的流場和聲場分布[11-13]。

2.1 模型描述

2.1.1 模型構建

首先以電磁閥中剖面為研究對象。選取的邊界電磁閥的類型為套筒式高溫高壓電磁閥，主要由閥體、活塞組件、套筒、中法蘭、導向體、閥套組件等零部件組成。該電磁閥具有結構簡單、尺寸小、質量輕、操作簡單、動作迅速可靠、高防護性等優點[14]。

利用CAD創建了電磁閥模型，取計算區域（x，y方向的尺寸）為 825、62 mm。為保證流道截面模型與真實流體截面吻合，閥體邊界和閥芯外形處均保持與閥門設計圖紙形狀尺寸一致，圖中標出的為電磁閥泄漏通道，如圖2所示。

圖2 電磁閥模型及其網格劃分效果Fig.2 Model of solenoid valve and meshing dividing result

2.1.2 網格劃分

利用ANSYS軟件包mcsh軟件對閥門流道結構模型進行網格劃分，采取四邊形和三角形混合網格（Uniform Quad/Tri）的劃分方法，同時在尺寸變化很大的局部區域采取由邊到面進行網格劃分，通過控制線網格的數量及疏密程度，實現對面網格質量控制的目的。電磁閥模型在 1%開度時網格數量為335 179，Elcmcnt Quality大于 0.5的網格占比為82.1%，Aspcct Ratio小于5的網格占比為83.0%，網格質量較好，能夠滿足電磁閥內漏流場和聲場仿真的要求。

2.1.3 邊界條件設定

閥門模進出口邊界為壓力邊界，進口壓力根據需要設置，出口表壓力為0 MPa，流場為水、空氣或混合相，其他面為壁面。

2.2 結果分析

2.2.1 穩態模擬

穩態模擬方面，湍流模型采用Rcalizablc k-?模型，壁面函數為標準壁面函數，得到電磁閥內漏的穩態流場分布，之后激活 ANSYS Flucnt的寬頻（Broadband）噪聲模型，可以得到電磁閥內漏的穩態聲場。

（1） 流場分析

圖3中給出了壓力水管路和壓縮空氣管路電磁閥的速度云圖。由圖3可以看出，電磁閥內漏時會在泄漏孔處及下游引起速度場和湍流強度場的擾動，形成內漏射流場。同時壓力水管路電磁閥的流場速度明顯小于壓縮空氣管路電磁閥。

圖3 電磁閥模型內漏流場速度分布云圖Fig.3 Nephogram of flow velocity distribution in solenoid valve model

（2） 聲場分析

圖4中給出了壓力水管路和壓縮空氣管路電磁閥內漏聲場的聲功率級云圖，圖5給出了聲功率級隨壓力變化的曲線。

圖4 電磁閥模型聲功率級云圖Fig.4 Nephogram of sound power level of solenoid valve model

圖5 最大聲功率級隨壓力變化曲線Fig.5 Maximum power level versus pressure curve

由圖4、圖5可以看出：（1） 電磁閥內漏流場擾動時會激發聲場變化，聲功率級云圖與流場分布有一定的近似性；（2） 壓力水管路閥門內漏聲場的聲功率級值小于氣閥；（3） 壓力管路電磁閥內漏聲場的聲功率級值隨著壓力的增大而增大，并且在壓力較小時（0～5 MPa）增幅最大。

（3） 空化影響

圖6給出了壓力水管路電磁閥內漏流場氣化容積比云圖分布。圖7給出了不同壓力下電磁閥內漏空化對聲功率級影響的曲線，此處電磁閥的泄漏度（泄漏孔徑與閥門通徑之比，下同）為5%。由圖6和圖7可以看出：（1） 壓力水管路電磁閥內漏時會在泄漏孔處發生空化，并且空化容積比隨壓力的增大而升高，當壓力為0.5 MPa時，電磁閥泄漏孔處幾乎無氣化，壓力達到3 MPa時，電磁閥下游有明顯空化；（2） 空化效應對閥門內漏的流場分布和聲場分布產生影響，區別于不考慮空化的情況；（3） 壓力水管路電磁閥內漏聲場的聲功率級值隨著壓力的增大而增大。但是考慮空化比不考慮空化的情況最大聲功率級平均高出20.32 dB。

圖6 電磁閥模型內漏流場氣相容積比分布云圖Fig.6 Nephogram of gas volume ratio distribution in leakage flow field of solenoid valve model

圖7 電磁閥空化對聲場的影響曲線Fig.7 Influence curve of electromagnetic valve cavitation on sound field

2.2.2 非穩態模擬

本文采用尺度自適應模型（Scalc Adaptivc Simulation， SAS）和福克斯·威廉姆斯-霍金斯方程（Ffows Williams-Hawking， FW-H），進行閥門內漏流場和聲場的非穩態計算，得到閥門內漏的瞬態流場和聲場。

（1） 流場分布

圖8為相同條件下不同時刻電磁閥模型內漏速度場分布，此時管內介質為3 MPa壓力水，閥門泄漏度為5%。由圖8可以看出，電磁閥的內漏流場以射流的方式展開，開始階段在泄漏孔處生成射流，隨后沿著壁面向下游運動；運動過程中，射流中心逐漸明顯，并形成卷吸效應，卷吸周圍流體一起向下游運動；當時間t=10 ms時，電磁閥泄漏孔后流場擾動劇烈，由層流狀態向湍流狀態轉變。

圖8 電磁閥流場速度云圖隨時間變化Fig.8 Nephogram of flow field velocity variation of solenoid valve with time

（2） 聲場分布

圖9為工作壓力為0.5 MPa時，電磁閥內漏聲場總聲壓級隨橫向距離的變化曲線，圖中橫坐標為閥后橫向距離X與電磁閥直徑D的比值X/D，縱坐標為聲場的總聲壓級值（dB）。由圖9可以看出，在閥體處（X/D=0），湍流射流聲場聲壓級值最大；之后在閥后（X/D=4）處出現第二個峰值，說明湍流射流在此處與管路壁面產生強烈沖擊，之后沿管壁不斷擴展，由于壁面摩擦等因素的影響，射流聲場的聲壓級值隨橫向距離的增加不斷衰減。

圖9 電磁閥聲場總聲壓級隨橫向距離的變化Fig.9 Variation of overall sound pressure level of solenoid valve with transverse distance

圖10為同一監視點X/D=2時，電磁閥內漏聲場總聲壓級值隨工作壓力的變化曲線。由圖10可以看出，隨著壓力的增加，電磁閥內漏產生的湍流射流聲場聲壓級值的增大，并且在壓力較小時（0～5 MPa）變化最大。

圖10 同一監視點總聲壓級隨工作壓力的變化Fig.10 Variation of overall sound pressure level with working pressure at the same monitoring point

圖11為同一監視點X/D=2時，電磁閥內漏聲場總聲壓級值隨閥門開度的變化曲線。由圖11可以看出，在閥門開度為1%～10%時，隨著閥門開度的增大，電磁閥內漏聲場聲壓級增大，并且在閥門開度較小時（1%～5%）變化最大；當閥門開度大于10%時，由于射流的湍流度減小，流場趨于穩定，電磁閥內漏聲場的總聲壓級趨于穩定。

圖11 同一監視點總聲壓級隨泄漏度的變化Fig.11 Variation of overall sound pressure level with leakage at the same monitoring point

（3） 空化分布

圖12給出了工作壓力為3 MPa，閥門泄漏度為 5%的條件下、不同時刻電磁閥模型空化的氣相容積比云圖。此處管內介質為多相流，主相為水，第二相為水蒸氣，采用的多相流模型為混合模型（Mixturc Modcl）。由圖12可以看出，此條件下電磁閥的空化隨著時間的推移，空化范圍逐漸增大，初始階段空化現象僅發生在電磁閥的泄漏孔處，之后隨著電磁閥泄漏孔處射流沿壁面的擴展，空化范圍隨之發展，逐漸在管路下游大范圍產生空化。

圖12 不同時刻電磁閥模型氣相容積比云圖Fig.12 Nephogram of gas volume ratio of solenoid valve model at different times

3 結 論

本文主要利用 CFD軟件對電磁閥內漏流場和聲場進行仿真計算，研究結果表明：

（1） 寬頻噪聲模型得到的聲功率級云圖可用于閥門內漏聲場的總體評價，快速確定閥門內漏聲場分布情況；FW-H聲學模型各監視點的聲場信號經FFT處理后可得到閥門內漏聲壓級等細節信息。

（2） 閥門內漏的聲場信號為寬頻隨機信號，隨工作壓力的增大而增強，并且在 0～5 MPa范圍內增幅最大；相同條件下壓力水管路閥門內漏聲場強度小于壓力氣體管路閥門，因此可以采用動態增加壓力的方式增強閥門內漏聲場信號。

（3） 壓力水管路閥門內漏時會發生空化現象，空化效應與工作壓力、閥門泄漏度、閥門內部流道結構等因素相關，開度較小時更容易產生空化，流道截面變化處更易產生空化，并且空化隨著工作壓力的增大而增強；同時空化效應對閥門內漏的流場分布和聲場分布產生影響，空化狀態下閥門內漏聲場的強度增大，因此在壓力水管路閥門內漏聲場計算時必須考慮空化效應。

（4） 閥門內漏流場和聲場仿真計算為閥門內漏檢測實驗和實地測試提供了理論指導：（1） 測點選擇上，閥體及附近位置的聲場強度較大，因此可在閥體及其附近管路布置聲信號監測點；（2） 測量條件上，聲場信號隨工作壓力的增大而增強，壓力過小時聲場信號弱，因此可采用動態增加工作壓力的方式檢測閥門內漏；（3） 影響因素上，管內工作介質、閥門尺寸、閥門類型、測量位置等因素等都會對閥門內漏的流場和聲場特征造成影響，因此在檢測過程中必須考慮。