船舶自流注水系统阀门流动噪声预测

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(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

船舶自流注水系统阀门流动噪声预测

方超，蔡标华，马士虎，俞健

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

针对船舶自流注水系统阀门噪声问题，利用CFD技术对系统阀门附近流场进行3种压差工况的数值计算，分别使用阀门噪声经验公式和声学数值计算法对阀门流动噪声进行分析。计算结果与测量结果对比表明，2种方法计算误差均较小，验证了阀门噪声经验公式和声学数值计算法对阀门噪声预测的可靠性，在工程实际中可用于阀门噪声的初步检测。

阀门；流噪声；CFD；声学计算

自流注水系统利用舷外和舱内压力差对水舱进行自流注水，在各种船舶海水系统中有着广泛的应用。自流注水系统阀门噪声问题突出，系统优化设计的过程中阀门噪声预测尤其重要。目前国内外学者针对船舶水动力噪声预测做了大量分析研究[1-4],但少见关于船用阀门噪声预测研究的文献报道。根据产生机理不同阀门噪声分为机械振动噪声、气蚀噪声和流体噪声[5-8]。其中机械振动噪声一般可通过优化结构设计予以消除。气蚀噪声和流体噪声是由流体介质流动所引起，合称为流动噪声，二者相互耦合。针对自流注水系统(见图1)的阀门流动噪声预测问题，选择自流注水系统3种典型的工况，建立模型利用CFD技术进行流场计算，提取流场计算结果，分别采用VDMA经验公式和数值计算的方法对系统阀门噪声进行计算，并将计算结果与试验结果进行对比，验证2种阀门噪声预测方法的可靠性。

图1 船舶自流注水系统原理

1 阀门流动噪声预测方法介绍

阀门管路的流动噪声，目前主要有2类预测方法：传统的经验公式法；声学数值计算的方法。

1)经验公式法。在已知管路的几何尺寸和流动参数情况下，利用相应公式估算得到噪声声压级。国际电气工程标准IEC60534、西德机器制造业协会(VDMA)均针对阀门噪声预测给出了估算公式，2种估算公式结构形式和考虑因素大体相同。选择VDMA公式进行自流注水系统阀门噪声估算。

Lw=40+10lgKv+18lgΔPv-5lgρf+ΔLa，cav(1)

(2)

式中，xF=(p1-p2)/(p1-p2)，Zy为调节阀开度为Y时的Z值；球阀Z值一般取0.2。

2)数值计算法。管内流动噪声源主要来自壁面的偶极子源和雷诺应力的四极子源[9]。在高马赫数下，四极子声源项的量级与主要声源项相同，不可忽略；而在低马赫数下，偶极子声源的贡献远远大于四极子声源，四极子声源在计算中可忽略不计。本例中流动为低马赫数，数值计算时四极子声源可以忽略。

数值计算流体噪声目前有2种途径：基于FW-H积分形式方程的解法；先结合CFD计算与Lighthill理论求解壁面偶极子，再使用边界元法求解声学Helmholtz方程。积分求解FW-H方程的优点是计算量和计算格式要求相对较低，但也存在只能计算远场辐射，内存计算误差大和不能考虑结构和声学装置的影响等缺点；边界元法的优点是能考虑声传播的问题，可以进行复杂声场的计算，不足是只考虑了壁面的偶极子声源。

管内流场噪声计算需要考虑管壁对声波的反射吸收等声传播问题，采用积分求解FW-H方程法误差较大，因此宜采用边界元法。边界元法以Lighthill方程为控制方程，对控制方程进行傅里叶变换得到Helmholtz方程。

2pa6k2pa=-

(3)

通过CFD流场瞬态计算，提取管道阀门壁面压力脉动信号，导入声学计算软件转换成等效的流体声源，并映射到声学边界元网格上，求解Helmholtz方程可得到管道内声场特性。

2 阀门瞬态流场计算

经验公式法和数值计算法预测阀门噪声都是基于CFD计算结果，流场计算结果对于阀门噪声预测的精确度有重要的影响。采用经验公式结合流场仿真计算结果预测阀门噪声基于瞬态计算结果，本文分别在3种压差工况下对球阀进行瞬态流场数值计算。

2.1 几何模型和计算工况

球阀三维数值模型进出口管径为100 mm，阀芯通径为80 mm，3种典型工况见表1。对计算几何模型进行简化处理，计算流场时不考虑壁面厚度。利用ICEM软件对几何模型进行网格划分，网格总数为263万，满足计算的精度要求。

表1 阀门仿真计算工况

流场边界条件均为压力进口和压力出口，管内壁表面和阀芯内表面为固体壁面边界，采用无滑移条件。流体介质为水，不可压缩，流动过程无热量交换，温度为20 ℃ ，计算过程中忽略重力影响。

2.2 流场计算结果

首先利用RANS模型对流场进行定场模拟，流场稳定后，再用LES模型进行非定场计算。计算时间步长设为5×10-5s,计算时间步数设为200步，残差收敛标准10-3。模拟中得到最高频率为10 kHz,满足工程实际中关注的频率范围[10]。

3种工况流场压力和速度分布见图2，流动噪声的产生与流体压力和速度密切相关。

图2 3种工况下压力和速度分布

对于工况一，系统流量为496.8 m3/h，由于阀门的节流作用，最高流速达到了61.62 m/s，阀后压力迅速降低，存在较大的负压区，负压低于 20 ℃时海水饱和蒸汽压力，产生空化现象，诱发严重的空化噪声。阀门处流场的剧烈变化会对阀门结构产生强烈的冲击，导致阀门及管壁振动并向外辐射噪声。工况二、三因注水舱背压的原因流量减小，分别为367.9 m3/h和197.7 m3/h，同时由于水舱背压的存在，空化现象消失。

3种工况下部分流动参数计算结果见表2。

表2 3种工况下流场计算结果

3 阀门流噪声计算结果与分析

3.1 经验公式计算结果

根据流场计算结果，结合式(2)计算得到3种工况下自流注水系统阀门流噪声总声压级。VDMA阀门水动力噪声声压级估算公式计算的阀门噪声为空气噪声，测试条件与标准化试验方案相同，测点设在调节阀出口法兰的平面内，距管道外壁1 m处，计算结果为流体动力噪声总声压级。

经验公式计算和试验测量结果对比见表3。

表3 VDMA经验公式噪声计算结果

工况一公式估算结果比试验结果大2.62 dB，工况二和工况三公式估算结果比试验结果分别小13.00 dB和10.97 dB。VDMA阀门水动力噪声声压级估算公式只考虑了在封闭管道系统中的流体动力学噪声，而并不包括调节阀内部可动部件产生的响声，以及在固体材料中传播的声音，或由于某种原因反射和共振造成的声音放大效应。目前的空气噪声试验测量技术手段无法将多种噪声源混合的噪声分开测量，试验测量空气噪声包含阀门及管壁振动辐射噪声，因此理论上试验所测空气噪声相对式(1)估算噪声较大，考虑流场数值计算误差的因素，可认为估算结果与真实情况基本吻合。

3.2 声学数值计算结果

将管道壁面压力脉动导入声学计算软件Virtual Lab中计算流动噪声，计算得到不同工况下监测面声压分布见图3。监测面设在调节阀进口法兰处，监测面中心处设置监测点，监测点声压频域分布见图4。

由计算结果可知，工况一、二、三总声压级分别为207.4，191.4，191.3 dB，阀门流动噪声随阀门前后压差的减小而减小。当压差减小到一定程度后，流体介质流速降低，阀门处流体不再发生空化，空化噪声消失，继续减小阀门压差对流动噪声的抑制作用减弱，与式(1)预测趋势相吻合。

图3 3种工况下声压分布云图(100 Hz)

图4 3种工况下监测点声压频域分布

数值计算结果与试验测量结果对比见图5，3种工况下运用水听器测得监测点处流动噪声总声压级分别为198.3，186.5，180.3 dB，相对计算值误差分别为9.1，4.9，11.0 dB，数值计算结果与试验测量结果随阀门前后压差减小变化趋势基本一致，考虑流场和声场的计算误差等因素，数值计算结果和试验测量结果基本吻合。

图5 不同压差下监测点总声压级计算值和测量值比较

4 结论

1)2种方法均可以较好地预测阀门流动噪声。将计算结果与试验测量结果对比，结果表明2种方法计算误差均较小，2种方法预测阀门噪声具有可靠性，可用于工程中阀门噪声的初步检测，具有较大的工程实用价值。

2)大压差工况下可采取增大注水舱背压减小阀门前后压差的措施抑制阀门噪声。3种不同压差工况下，阀门前后压差越小，阀门流动噪声越低，但压差减小到一定程度后，空化现象消失，减小压差对阀门噪声的抑制作用减弱。

3)工程实际中，采用VDMA经验公式法计算阀门噪声一般是基于台架试验测量得到的流动参数，本文通过流场数值计算得到相应流动参数，阀门噪声计算结果误差较小。采用VDMA经验公式与流场数值计算相结合的方法预测阀门噪声未见相关文献报道，较传统方法有操作简单、成本低的优势。

经验公式法和声学数值计算法预测阀门噪声都是基于阀门瞬态流场计算结果，流场计算的精确度对阀门噪声预测的准确性具有较大影响，后续研究中可分别采用不同的湍流模型计算阀门流场，进行比较后选择合适的模型以进一步提高2种预测方法的准确性。

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Prediction of Flow Noise in Valve of Self-flowing Water Injection System

FANGChao,CAIBiao-hua,MAShi-hu,YUJian

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to predict the noise of the ship’s water injection system, the flow field of the system was calculated by using the CFD technique under the conditions of three kinds of pressure difference. Based on the numerical results of CFD, the valve noise empirical formula and the acoustics numerical method were used to analyze the valve flow noise. The calculated results were compared with the measured results, showing that the two methods had little error, which verified the reliability of the two methods. The two kinds of valve noise prediction methods can be used in engineering practice for the initial detection of valve noise.

valve; flow noise; CFD; acoustic computation

U661.44

A

1671-7953(2017)06-0108-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.025

2016-12-28

2017-03-10

方超(1991—)，男，硕士生

研究方向：舰船振动与噪声控制技术