【摘 要】
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阀门可用来调节流体流量和压力,节流过程中易产生强噪音。强噪声不仅损害人体健康,也会引起管路系统内结构部件异常振动。因此,分析阀门结构与管内流场、管内外声场之间的联系具有重要研究价值和工程意义。本文以某天然气场站调压支路噪声问题为研究背景,提取了该支路流量控制阀的主要几何特征,建立了多孔喷注几何模型和多孔碰撞阀体几何模型,采用大涡模拟和FW-H等声学模型,对跨音速多孔喷注特征流体域的气动噪声进行仿真
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51706179);
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阀门可用来调节流体流量和压力,节流过程中易产生强噪音。强噪声不仅损害人体健康,也会引起管路系统内结构部件异常振动。因此,分析阀门结构与管内流场、管内外声场之间的联系具有重要研究价值和工程意义。本文以某天然气场站调压支路噪声问题为研究背景,提取了该支路流量控制阀的主要几何特征,建立了多孔喷注几何模型和多孔碰撞阀体几何模型,采用大涡模拟和FW-H等声学模型,对跨音速多孔喷注特征流体域的气动噪声进行仿真分析,分析了孔类型、孔径和孔中心间距等孔群布置参数对于内流场和内外声场特性的影响,提出了在出流管路中加设导流部件和减小孔径实现抑制气动噪声的措施。主要结论如下:(1)对多孔喷注射流进入开放流体环境下的内部流场和内外声场进行了仿真分析。结果表明,小中心间距孔群射流间具有卷吸作用更为明显的Coanda效应,使得汇合后的射流结构更为稳定,且汇合后的射流核心段长度与孔径呈正相关。强湍动能分布与强四极子声源分布一致,孔壁湍流边界层和孔群射流边界区域内的强湍流状态是四极子声源的主要物理来源。减小孔径及增大中心间距均有利于减少汇合后射流边界强湍流区域体积。(2)正方形孔对比圆形孔,孔内湍流边界层厚度周向分布不均匀,汇合后的射流边界高湍动能区域减少,且四极子声源功率降低,远场噪声监测点处总声压级减少。在小中心间距时,远场噪声监测点处总声压级减小可达12d B以上,但在中心间距大于两倍孔径时,对远场噪声的抑制效果不明显。(3)在以高速多孔射流碰撞为主要特征的三维阀体中,对四种不同孔径和出流管路设置三维阀体模型的流场特性和声场特性进行了对比分析。结果表明,各个孔群射流碰撞在出流管路中产生多个大尺度湍流涡旋是噪声的主要来源,涡旋尺度与同孔径相关的射流核心段长度呈正相关,各个涡旋边界交互位置处是主要的强功率四极子声源区,其中中心涡旋结构演化过程具有时空非定常性,演化周期在毫秒级。(4)减小孔径以及在孔群出口处加设导流部件均可以抑制出流管路中大尺度涡旋的产生,实现对噪声的抑制效果。减小孔径可以实现缩减射流核心段长度,削弱对称孔群间射流碰撞强度,减小出流管路中湍流涡旋尺度和湍流强度,对轴向噪声和周向噪声均有着明显抑制效果,外声场监测点A声级减小幅度可达6 d B(A)至14 d B(A)。加设导流部件可降低气体切向速度,减小孔群出口区域湍流涡旋尺度,引导流动沿轴向进行。声场监测结果表明,加设导流板可将气流强噪声往高频方向转移,并对阀体下游区域噪声产生抑制效果。其中下游监测点A声级减小幅度可达6 dB(A)。
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