劉翠偉， 李玉星， 王武昌， 謝祝祝

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 北京分公司，北京 100085)

閥門作為流動(dòng)輸送與控制系統(tǒng)中常用機(jī)械設(shè)備，主要調(diào)節(jié)、控制流體質(zhì)量流量、壓力及流動(dòng)方向以滿足工作系統(tǒng)要求。因此，考慮管道安全、減振、降噪，為長(zhǎng)輸管道音波法泄漏檢測(cè)[1-4]準(zhǔn)確性提供保證，研究閥門產(chǎn)生的噪聲十分必要。

在天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)[5]中，流體流動(dòng)對(duì)噪聲影響主要有：① 流體流動(dòng)對(duì)噪聲傳播的多普勒效應(yīng)，流動(dòng)速度較大時(shí)(Ma>0.3)，多普勒效應(yīng)明顯，不直接影響聲源強(qiáng)度，只影響聲音傳播；② 流體與結(jié)構(gòu)耦合作用使結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)聲，流體湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面壓力脈動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)載，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射噪聲；③ 流體湍流運(yùn)動(dòng)形成的流噪聲、湍流引起的壓力或速度脈動(dòng)形成直接噪聲源，可等效為理論聲源，包括偶極子聲源、四極子聲源。輸氣管道中音波主要由壓縮機(jī)啟停運(yùn)行、閥門開(kāi)關(guān)、泄漏分支管等產(chǎn)生的噪聲所致。此音波主要為氣動(dòng)噪聲、氣體流動(dòng)所致結(jié)構(gòu)噪聲。氣動(dòng)噪聲[6]由直接作用于流體的振動(dòng)力、流體本身劇烈運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生，即流噪聲。

輸氣管道氣動(dòng)噪聲研究方法主要有三類：計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法，CFD軟件計(jì)算氣動(dòng)噪聲方法及CFD軟件聯(lián)合聲學(xué)軟件仿真計(jì)算方法。用有限體積法求解輸氣管道氣體流經(jīng)閥門的流場(chǎng)，用邊界元法求解閥門聲場(chǎng)，具體實(shí)現(xiàn)方法即CFD軟件聯(lián)合專業(yè)聲學(xué)軟件仿真方法。用大渦湍流模型(LES)計(jì)算輸氣管道氣體流經(jīng)閥門瞬態(tài)流場(chǎng)，獲得流場(chǎng)變量如壓力、速度等參數(shù)的時(shí)域精確解；用專業(yè)聲學(xué)分析軟件Sysnoise讀取計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算所得流場(chǎng)分布，通過(guò)快速傅里葉變換將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，利用FW-H方程將流場(chǎng)分布結(jié)果轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)表面偶極子聲源及流場(chǎng)中四極子聲源，計(jì)算出聲源作用引起的聲場(chǎng)分布，并考慮聲源周圍結(jié)構(gòu)引起的反射、衍射等聲場(chǎng)特征[7]，分析輸氣管道氣體流經(jīng)閥門氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生、傳播及衰減規(guī)律；通過(guò)音波法泄漏檢測(cè)試驗(yàn)裝置對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 CFD軟件與聲學(xué)軟件聯(lián)合仿真理論分析

1.1 輸氣管道氣體流經(jīng)閥門流場(chǎng)計(jì)算

對(duì)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬后以穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)模擬。穩(wěn)態(tài)模擬用k-ε方程，瞬態(tài)模擬用LES大渦模擬方程。對(duì)瞬態(tài)LES大渦模擬主要為：用瞬時(shí)Navier-Stokes方程直接計(jì)算湍流中大尺度渦，小尺度渦對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)影響則建立模型模擬，即先建立數(shù)學(xué)濾波函數(shù)，從湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程中將尺度比濾波函數(shù)尺度小渦濾掉，分解出描寫大渦流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程；再通過(guò)在大渦流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程中引入附加應(yīng)力項(xiàng)體現(xiàn)被濾掉的小渦對(duì)大渦運(yùn)動(dòng)影響，該數(shù)學(xué)模型稱為亞格子尺度模型(SubGrid-Scale model，SGS)。

控制方程組為：

(1)

(2)

1.2 FW-H聲擬理論

Ffowcs Williams等[8-10]解決運(yùn)動(dòng)物體在流體中發(fā)聲問(wèn)題，獲得Ffowcs Williams & Hawkings方程(簡(jiǎn)稱FW-H方程)：

(3)

式中：等號(hào)右邊三項(xiàng)為單極子聲源項(xiàng)，由表面加速度引起(流體位移分布)；由表面脈動(dòng)壓力引起的聲源(力分布)偶極子聲源；流體紊流所產(chǎn)生的四極子聲源。

在輸氣管道氣體流經(jīng)閥門氣動(dòng)噪聲研究中，單極子聲源強(qiáng)度與閥門剛性表面水平方向速度有關(guān)，可忽略，因此本文主要研究輸氣管道氣體流經(jīng)閥門產(chǎn)生的偶極子聲源與四極子聲源。

1.3 直接邊界元法求解氣動(dòng)噪聲

在Sysnoise中，直接邊界元法[11-16]即求解系統(tǒng)方程：

A(ω)p=B(ω)vn

(4)

式中：p為流體模型表面上的節(jié)點(diǎn)壓力；vn為流體模型表面法線方向節(jié)點(diǎn)速度；A，B為影響矩陣。

流體模型表面的聲壓、速度、聲強(qiáng)等在求解系統(tǒng)方程時(shí)可直接獲得。聲場(chǎng)中任一點(diǎn)聲壓計(jì)算式為：

Pp=dTp+bTvn

(5)

式中：Pp為聲場(chǎng)中任一點(diǎn)聲壓；p為邊界節(jié)點(diǎn)聲壓；vn為邊界節(jié)點(diǎn)法向速度向量；a，b為插值系數(shù)矩陣。

1.4 輸氣管道氣體流經(jīng)閥門氣動(dòng)噪聲求解流程

本文采用CFD仿真模擬軟件Fluent和專業(yè)聲學(xué)軟件SYSNOISE對(duì)管道聲場(chǎng)進(jìn)行求解，具體流程如下：

圖1 分析流程圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，允許最高壓力8 MPa，管徑14 mm，壁厚2 mm，設(shè)計(jì)流量60 m3/h。實(shí)驗(yàn)架總長(zhǎng)250 m，可實(shí)現(xiàn)高壓力、大雷諾數(shù)下輸氣管道音波泄漏檢測(cè)及定位功能，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)管架圖

該裝置所用氣體介質(zhì)為壓縮空氣。在管路實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中用平齊式安裝壓力傳感器方法，在閥門上、下游分別安裝壓力傳感器，上下游音波傳感器距離球閥球心均0.1 m，測(cè)量球閥的閥門噪聲，獲得閥門上下游壓力信號(hào)頻譜圖，采樣率30 000 Hz。音波傳感器作為音波泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的核心元件選購(gòu)美國(guó)PCB生產(chǎn)的106B型動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其測(cè)量范圍-57.2～57.2 kPa，靈敏度43.5 mV/kPa，可測(cè)最大動(dòng)壓1 379 kPa，能在13 790 kPa環(huán)境壓力下工作，分辨率達(dá)0.000 69 kPa，諧振頻率60 kHz。該裝置建立高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用NI公司型號(hào)為PCI6229的常規(guī)數(shù)據(jù)采集卡及型號(hào)為PCI4474的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡(用于泄漏聲波信號(hào)采集)，可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，保證泄漏檢測(cè)的實(shí)時(shí)性及定位精度，系統(tǒng)采樣頻率可超過(guò)20 kHz。

3 CFD模擬流場(chǎng)分析

3.1 物理模型建立

據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置建立含閥門(球閥)的管段模型見(jiàn)圖3，管道內(nèi)徑10 mm，取湍流充分發(fā)展管段；考慮仿真計(jì)算域不宜太大，取閥門前管段52.5 mm，閥門后管段97.5 mm，總長(zhǎng)150 mm；管道中介質(zhì)為不可壓縮空氣，參數(shù)為：密度ρ=1.225 kg/m3，動(dòng)力粘度μ=1.789 4×10-5N·s/m2或μ=ρν，得運(yùn)動(dòng)粘度ν=1.460 7×10-5m2/s；為充分研究輸氣管道氣體流經(jīng)閥門時(shí)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)不同閥門開(kāi)度如30°，45°，60°進(jìn)行研究。結(jié)果表明，不同閥門開(kāi)度造成閥門流場(chǎng)及速度場(chǎng)數(shù)值不同，但聲源分布結(jié)果一致，僅存在聲源大小差異。限于篇幅，為更清楚描述閥門流場(chǎng)、壓力場(chǎng)，以閥門開(kāi)度45°為例進(jìn)行分析。

圖3 球閥管段模型

3.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1，其中u為入口速度；I為湍流強(qiáng)度；L為湍流長(zhǎng)度尺度；P為出口壓力。將閥門快速開(kāi)至45°角過(guò)程及后閥門對(duì)氣體阻擋作用抽象成氣體在開(kāi)度45°角閥門管段中的瞬態(tài)流動(dòng)。瞬態(tài)模擬以穩(wěn)態(tài)模擬為初始條件，總時(shí)間0.25 s，時(shí)間步長(zhǎng)可決定計(jì)算最高頻率。而據(jù)奈奎斯特采樣定律，可還原的最高信號(hào)頻率只有采樣頻率的一半。故本次計(jì)算最高頻率設(shè)為2 000 Hz，對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)0.000 25 s。共迭代1 000步，每步迭代20次且使每步均能收斂較好，獲得頻率步長(zhǎng)為4 Hz。

表1 模擬邊界條件

3.3 仿真結(jié)果流場(chǎng)分析

閥門開(kāi)至45°時(shí)，流場(chǎng)中速度、壓力變化過(guò)程為：氣體由入口管段流入時(shí)遇閥門壁面，使閥門壁面速度為0，壓強(qiáng)最大；由于入口段氣體不斷流入，使氣體被壓入閥門與管壁形成的通道，在閥門內(nèi)腔擴(kuò)張后再經(jīng)閥門后緣與管壁形成的通道壓縮噴出，因此閥門后緣處速度達(dá)最大；而閥門邊緣處曲率變化最大，使氣體在閥門邊緣處分離，在閥門后壁面產(chǎn)生分離流及回流，回流在閥門壁面阻擋及新流體攜帶作用下產(chǎn)生渦流；流體在閥門內(nèi)腔流動(dòng)時(shí)，因壓力、速度的變化也會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流會(huì)引起速度、壓力脈動(dòng)，形成氣動(dòng)噪聲源。閥門流場(chǎng)速度矢量見(jiàn)圖4，閥門面壓力見(jiàn)圖5。

圖4 閥門流場(chǎng)速度矢量圖

圖5 閥門面壓力圖

由圖5看出，閥門開(kāi)至45°、氣體流經(jīng)閥門時(shí)，由于閥門的阻擋作用，造成氣體在閥門前被壓縮、閥門后部被擴(kuò)張，在閥門前壁面產(chǎn)生局部高壓區(qū)，在閥門后壁面產(chǎn)生局部低壓區(qū)，造成氣體在閥門處收縮擴(kuò)張，在閥門前壁面、后壁面、閥門內(nèi)腔產(chǎn)生渦流。由于閥門作用，一部分流體受阻，流體質(zhì)點(diǎn)不能突然改變運(yùn)動(dòng)方向，即流向不能平穩(wěn)、圓滑過(guò)渡，在閥門附近流體出現(xiàn)逆流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使這部分流體不斷、劇烈地在閥門附近作漩渦運(yùn)動(dòng)，使漩渦區(qū)流體質(zhì)點(diǎn)不斷被主流帶走，而主流區(qū)不斷將流體給予補(bǔ)充，由此會(huì)引起閥門壁面脈動(dòng)壓力變化，產(chǎn)生流噪聲。

4 氣動(dòng)噪聲模型建立及分析

4.1 閥門氣動(dòng)噪聲模型建立

建立聲學(xué)計(jì)算的網(wǎng)格模型，并采用直接邊界元模型。為使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，要求1個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)有6個(gè)單元，因此網(wǎng)格劃分足夠精細(xì)；設(shè)置聲音傳播介質(zhì)的流體屬性為ρ=1.225 kg/m3，聲傳播速度340 m/s。將CFD計(jì)算所得每個(gè)時(shí)間步速度與壓力等聲源信息為聲源邊界條件導(dǎo)入直接邊界元模型進(jìn)行計(jì)算，獲得表面偶極子聲源與四極子聲源分布，建立輸氣管道氣體流經(jīng)閥門氣動(dòng)噪聲模型。偶極子聲源分布見(jiàn)圖6，四極子聲源分布見(jiàn)圖7。

圖6 偶極子聲源強(qiáng)度分布(20 Hz)

圖7 四極子聲源強(qiáng)度分布(20 Hz)

4.2 氣動(dòng)噪聲頻域分析

由于Sysnoise中作為聲源邊界條件導(dǎo)入的CFD數(shù)據(jù)已由時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域，因此對(duì)所得表面偶極子聲源與流場(chǎng)四極子聲源進(jìn)行頻域分析。沿管道軸向設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)：(0,0,±0.01)， (0,0,±0.05)， (0,0,±0.1)， (0,0,±1)， (0,0,±5)，單位m。

為便于分析各場(chǎng)點(diǎn)在頻域的聲壓級(jí)，繪制各觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)圖8，獲得距離閥門0.01 m，0.1 m，5 m處上下游觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)圖9，各觀測(cè)點(diǎn)2 000 Hz內(nèi)聲壓級(jí)波動(dòng)范圍、中間幅值、平均幅值見(jiàn)表2。

圖8 各觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)

表2 各觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)

由圖8、圖9、表2看出：① 閥門流場(chǎng)各觀測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)頻帶較寬，無(wú)明顯主頻率，為寬頻噪聲。② 同一流速下閥門流場(chǎng)各觀測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲在低頻時(shí)聲壓級(jí)幅值較大，隨頻率的升高，幅值持續(xù)下降。由此可知，氣動(dòng)噪聲低頻部分能量較大，高頻部分能量較小。③ 各觀測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)圖隨遠(yuǎn)離閥門的距離增大，斜率趨向平緩，越接近閥門，聲壓級(jí)由低頻至高頻衰減越快；離閥門0.05 m與0.1 m處兩聲壓級(jí)曲線幾乎相交。④ 在45°開(kāi)度下，閥門上游音波聲壓級(jí)大于閥門下游音波聲壓級(jí)，且離閥門越近，上下游聲壓級(jí)差別越大；離閥門較遠(yuǎn)時(shí)，上下游聲壓級(jí)圖幾乎重合。⑤ 觀測(cè)點(diǎn)(0,0,±0.01)、 (0,0,±0.05)、 (0,0,±0.1)處，隨頻率值增大，聲壓級(jí)幅值逐漸減?。挥^測(cè)點(diǎn)(0,0,±1)、 (0,0,±5)處，隨頻率值增大，聲壓級(jí)幅值先增大后減小，且在400 Hz處達(dá)最大值。⑥ 聲壓級(jí)經(jīng)相同距離時(shí)的衰減程度為離閥門越近，聲壓級(jí)衰減越快，由離閥門0.01～0.05 m，聲壓級(jí)減小50 dB；由離閥門1～5 m處，聲壓級(jí)減小15 dB，由此可推斷，經(jīng)一段相同距離，閥門近處聲壓級(jí)衰減較閥門遠(yuǎn)處快。

為更全面對(duì)閥門噪聲進(jìn)行頻譜分析及音波能量分布分析，繪制z軸方向各觀測(cè)點(diǎn)聲強(qiáng)級(jí)見(jiàn)圖10，離閥門0.01 m，0.1 m，5 m處上下游觀測(cè)點(diǎn)聲強(qiáng)級(jí)見(jiàn)圖11。對(duì)比圖8、圖10及圖9、圖11看出，曲線雖數(shù)量級(jí)相差較大，但規(guī)律、趨勢(shì)一致，聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)得以互相印證。

圖11 上下游聲強(qiáng)級(jí)對(duì)比

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 閥門上下游聲壓級(jí)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)裝置用氣體介質(zhì)為壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)管路中采用平齊式安裝壓力傳感器方法，在閥門上、下游分別安裝壓力傳感器，測(cè)量球閥閥門噪聲，獲得閥門上下游壓力信號(hào)頻譜圖。壓力1 MPa下閥門操作時(shí)上、下游音波信號(hào)傳感器分別采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理所得聲壓級(jí)見(jiàn)圖12，采樣率30 000 Hz。模擬各觀測(cè)點(diǎn)與音波傳感器測(cè)得聲壓級(jí)見(jiàn)表3。

表3 各觀測(cè)點(diǎn)與音波傳感器所測(cè)聲壓級(jí)

比較圖8、圖12看出，模擬得聲壓級(jí)及實(shí)驗(yàn)得聲壓級(jí)曲線趨勢(shì)一致。由于音波傳感器存在實(shí)際反應(yīng)時(shí)間，而音波傳感器采集到的信號(hào)為整個(gè)管路包括閥門、壓縮機(jī)、彎管等噪聲信號(hào)，相互間存在影響，因此聲壓級(jí)曲線變化平緩。但總體符合模擬所得聲壓級(jí)曲線變化規(guī)律。由表3看出，試驗(yàn)中音波傳感器所測(cè)音波數(shù)據(jù)進(jìn)行聲壓級(jí)處理后與模擬所得音波數(shù)據(jù)聲壓級(jí)為同一數(shù)量級(jí)，說(shuō)明本文閥門開(kāi)度下，上游閥門噪聲大于下游閥門噪聲，模擬獲得音波數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得音波數(shù)據(jù)存在誤差，原因?yàn)槟M所得音波數(shù)據(jù)主要為閥門噪聲，而音波傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)亦包括其它背景噪聲。由此說(shuō)明本文數(shù)值模擬準(zhǔn)確，可用模擬數(shù)據(jù)分析輸氣管道閥門流噪聲規(guī)律、進(jìn)行輸氣管道音波法泄漏檢測(cè)試驗(yàn)。

6 結(jié) 論

以球閥開(kāi)度為45°為例，通過(guò)對(duì)輸氣管道氣體流經(jīng)閥門氣動(dòng)噪聲模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1) 用CFD軟件對(duì)閥門流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬獲得閥門流場(chǎng)分布后導(dǎo)入專業(yè)聲學(xué)軟件進(jìn)行聲學(xué)分析完全可行。即進(jìn)行瞬態(tài)CFD計(jì)算，輸出壓力脈動(dòng)或速度脈動(dòng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入CFD結(jié)果在聲學(xué)軟件中轉(zhuǎn)化為偶極子、四極子等效聲源，進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算及后處理。

(2) 輸氣管道中閥門噪聲源為偶極子聲源與四極子聲源，在低馬赫數(shù)下，偶極子聲源占主要地位。偶極子聲源分布于閥門表面，四極子聲源分布于整個(gè)流場(chǎng)。

(3) 對(duì)所建輸氣管道閥門氣動(dòng)噪聲模型進(jìn)行流場(chǎng)、聲場(chǎng)分析知，閥門開(kāi)至45°角時(shí)由于閥門作用，使管道中流場(chǎng)處于瞬態(tài)流動(dòng)，流場(chǎng)中存在強(qiáng)烈的壓力、速度脈動(dòng)，而該兩脈動(dòng)恰為輸氣管道中氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的根本原因。

(4) 通過(guò)對(duì)氣動(dòng)噪聲模型頻域分析，獲得音波產(chǎn)生、傳播及衰減規(guī)律。

(5) 音波法泄漏檢測(cè)裝置可較好驗(yàn)證CFD軟件聯(lián)合專業(yè)聲學(xué)軟件模擬結(jié)果及所建輸氣管道閥門氣動(dòng)噪聲模型；閥門氣動(dòng)噪聲模型可指導(dǎo)試驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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