李涛
温州职业技术学院，浙江 温州 325000
摘 要：选择ANSYS Fluent和Actran联合模拟调节阀的气动噪声特性，采用可实现k-epsilon模型计算稳态流场作为瞬态流场的初始场，验证了LES（大涡模拟）的准确性。将Fluent计算所得数据导入Actran中提取激励气动噪声声源，进一步计算其气动噪声特性，发现噪声呈现低频率，且对于阀体其噪声主要由喉部的涡流引起。研究可为调节阀的低噪声设计提供理论指导，并加深人们对汽轮机调节阀气动噪声特性的认知。
关键词：气动噪声；数值模拟；调节阀；汽轮机
中图分类号：U661.43 文献标识码：A
0 引言
汽轮机调节阀的气动噪声一直都是舰船系统的主要噪声源之一，严重影响了船员的身心健康。对于军用舰船等，汽轮机调节阀的气动噪声容易被声纳探测，极易暴露其自身位置，进而威胁到船员的生命。因此，对舰船用汽轮机调节阀的气动噪声特性进行研究能够加深人们的认知并为汽轮机调节阀的结构设计提供理论基础和指导。
对汽轮机调节阀进行声学试验需要较高的成本，相比较而言，数值模拟方法相对简便，且成本低廉。哈尔滨工程大学的刘利杰采用三维建模数值模拟对调节阀的振动噪声情况进行了研究，从流场角度分析了阀门噪声产生机理[1]。兰州理工大学杨政豫采用ANSYS软件和LMS Virtual.Lab软件相结合的方法研究了高温蒸汽减压阀的气动声学特性[2]。王鹏等人采用Fluent中的切应力传输（SST）湍流模型模拟了汽轮机调节阀的流场[3]。
G-I型阀门是我国具有自主知识产权的一款汽轮机调节阀，本项目利用ANSYS Fluent结合Actran软件对G-I型汽轮机调节阀的气动噪声进行数值模拟。先使用Fluent对内流场进行分析，再将数据导入Actran软件获得阀门的气动声学特性。
1 计算模型
使用ANSYS ICEM CFD软件绘制G-I型汽轮机调节阀的三维模型，如图1（a）所示，入口直径为20 mm，出口直径为15 mm，阀芯升程为5.5 mm。随后进行网格划分和边界条件加载，网格为非结构化网格，同时划分了边界层网格，一共5层。试算了3套网格，考虑网格无关系、计算效率和准确性，最终选择了如图1（b）所示的网格作为最终计算网格，网格数量为667449，节点数为194759。
.png)
（a）三维模型 （b）网格结构
图1 G-I型汽轮机调节阀三维模型及网格
2 计算方法和边界条件设置
选择ANSYS Fluent中的可实现k-epsilon模型计算稳态流场，作为瞬态流场的初始场。选择LES（大涡模拟）模型计算阀内的瞬态流场。选择FW-H声学模型计算声场。设置调节阀内流场的进口为速度进口，进口速度为20 m/s，出口为压力出口，并在相关位置设置相应的声学接收点。
3 流场特性
图2为计算区域ZX平面的稳态流场。入口速度为20 m/s，进入阀门内部后，由于流道截面的扩大，流体呈一定的射流，同时入射口两侧有一定的速度真空区，喷射的流体撞击到阀杆上，使得入射中心形成一定低速区。另一方面，由于阀杆的存在，使得阀体右侧液体流入很少，形成了速度真空区。在喉部速度逐渐增加并在出口处达到最大，这是由于流道面积减小所致，出口处壁面为无滑移条件，壁面边界层内速度梯度非常大，由0在很薄的边界层内迅速增大到最高为44 m/s。
.png)
图2 G-I型汽轮机调节阀稳态流场
图3为计算区域ZX平面的瞬态流场，总的来说，瞬态流场的速度分布与稳态流场速度分布在趋势上吻合，在阀杆的右侧，均形成了速度真空区，阀门出口速度均大于阀门入口速度。但阀内流场最大速度不同，瞬态流场中最大速度出现在喉部，为47.1 m/s，而稳态流场最大速度则出现在出口处。从实际情况进行分析，喉部的流通面积最小，故而流速应该较大，瞬态流场更加接近工程实际。
.png)
图3 G-I型汽轮机调节阀瞬态流场
4 声场特性
图4为点坐标（0.015，0，0.02）处频率和声压的关系图，由图可知，在0-500 Hz这一低频段处声压较高，最高为94 dB，在500-1000Hz这一中频段，声压较低，为20-50 dB，且随着频率的增加，声压逐渐降低，最低处为-17 dB。图5为点坐标（0.015，0，0.15）处频率和声压关系图，其频率和声压关系和点（0.015，0，0.02）处类似，但随着Z轴方向距离的增大，同一频段处的声压降低，如0-500 Hz这一低频段的声压最高为60 dB。
.png)
图5 点（0.015，0，0.15）处的频率和声压关系图
图6为124 Hz频率下有限域及阀门内部气动噪声声压分布，由图可见，噪声声压最高处为阀门内部，最高可以达到118 dB，而在有限域内声压逐级降低，这可能是由于声波在传播过程中的损耗导致。而在阀门内部声场，声压在喉部达到最高，这可能是因为喉部湍流强度较高，形成的涡强度较大，从而提高了该处的气动噪声声压。
.png)
图6 124 Hz频率下有限域及阀门内部声压分布
5 结论
通过可实现k-epsilon模型计算稳态流场作为瞬态流场的初始场，验证了LES（大涡模拟）的准确性。汽轮机调节阀气动噪声呈现低频率，气动噪声主要由喉部的涡流引起。
参考文献
[1]刘利杰. 某调节阀的气动噪声研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学机械学科硕士学位论文，2013：32-35.
[2]杨政豫. 高温蒸汽减压阀的可压缩流动及声学特性研究[D]. 兰州：兰州理工大学动力工程硕士学位论文，2020：12-42.
[3]Wang P, Ma HY, Quay B, Santavicca DA, Liu YZ. Computational fluid dynamics of steam flow in a turbine control valve with a bell-shaped spindle. Applied Thermal Engineering. 2018;129:1333-47.
作者简介：李涛（1989-），男、博士。低噪声阀门设计。
资助项目：温州职业技术学院校级一般课题（WZY2020036