多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法，包括：步骤1，对多级降压调节阀的流场进行仿真分析，得到调节阀内部流动计算结果；步骤2，在调节阀内部流动计算结果的基础上，基于有限元方法建立多级降压调节阀的声振耦合计算模型，通过对不同开度和不同工况条件下调节阀的振动及噪声特性进行数值模拟计算，获得调节阀的振动和噪声特性，以及不同开度和不同压差对调节阀振动和噪声的影响规律。本发明专利技术根据多级降压调节阀的声振特性建立了有效的数值计算方法，计算结果可以反映工质对调节阀产生的流激振动及流激噪声的变化规律，为未来调节阀的减振、降噪设计提供了理论依据和数据支撑。论依据和数据支撑。论依据和数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及多级降压调节阀
，尤其涉及一种多级降压调节阀流激 振动及噪声数值模拟方法。

技术介绍

[0002]高压调节阀在多个工业领域均发挥着至关重要的作用，是保证系统安全、 经济运行的重要设备之一。高压调节阀在高温高压差工况下运行和启闭过程中， 流体流经控制阀内部各元件时会产生剧烈的压力脉动，进而诱发阀体振动并产 生高噪声。调节阀的振动和噪声值超过一定分贝后会对各部件产生疲劳破坏， 同时给人类活动及环境带来了严重的噪声危害。随着工业水平的不断提高，对 调节阀性能的要求也越来越高，关于高压调节阀的振动和噪声特性研究应给予 足够的关注和重视。
[0003]多级降压调节阀内部采用多级套筒结构使得压降被分摊在不同的节流面上， 有效地降低了流体的流动速度，可以防止空化的发生，同时起到了减振和降噪 的作用，但目前有关多级套筒降压调节阀振动及噪声领域的研究仍相对较少。
[0004]在流激振动方面，Misra等建立了控制阀与管路系统耦合的动力学模型，确 定了管路系统自激振动的机理，发现自激振动是由水锤、下游管路的声反馈和 阀门处的高声阻等造成的。Zaryankin等通过试验研究了压力脉动对管路控制阀 振动的影响，研究表明控制阀的振动状态与非定常流动直接相关。Al
‑
Amayreh 等采用CFD方法计算了蝶形阀附近的流动特性，预测了阀门处的压力脉动和涡 脱落频率，并分析了由于湍流流动和涡脱落产生机械振动和共振的可能性。钱 锦远等分析了调节阀振动(外激振动和流激振动)的产生机理，系统地总结了 调节阀振动的研究方法(实验方法、理论模型仿真和数值模拟)，并提出了阀 门振动的抑制措施(根源减振与传播减振)。王燕等设计了一种消声减振套筒 式高压调节阀，通过数值模拟分析了调节阀的内部流动及声振特性，研究发现 适当增加级间间隙和减小套筒孔径均有利于消声减振。侯英哲等通过搭建试验 平台对蒸汽调节阀结构振动及噪声开展了研究，阀门在小开度下工作时的节流 较为严重，工质流经阀门容易形成空化，采用防涡降噪孔罩等减振元件可以有 效避免严重的振荡和气蚀。李树勋和王天龙等基于直接边界元方法对高压降蒸 汽疏水阀进行了流激振动研究，结果表明阀门开度对振动特性的影响较小，总 振级随降压级数的增加和节流孔径的减小而降低，且振动主要成分向50～500Hz 频率范围集中。
[0005]在流激噪声方面，Kolesnikov等测量了管道壁面的压力分布，通过频谱分析 确定了自由频率和定常波，结果表明噪声是由于结构突变导致定常波的急剧变 化而产生的。Fan等总结了汽轮机控制阀气动噪声的几种经典预测方法，主要包 括直接声源逼近法和间接声道逼近法；并提出了控制阀气动噪声的抑制和消除 建议，对控制阀噪声水平的控制具有重要的指导意义。Zeng等在试验中连续调 节压比观测了控制阀内的声突变现象，相同工况条件下的噪声和压力波动随压 比的变化过程而不同，因此可采用声音突变来确定控制阀内岩心流和环形流的 范围。徐晓刚等针对高压调节阀建立了内部流动计算模型及噪声
计算模型，研 究了套筒层数对调节阀内压力、流速和噪声的影响，发现在高压降调节阀内采 用多级消声节流套筒可有效实现逐级降压、限制流速、抑制噪声的目的。李树 勋和娄燕鹏等以流激噪声理论为基础，结合声学边界元方法(BEM)研究了不 同参数对套筒式调节阀噪声特性的影响规律，不同结构参数的调节阀噪声频谱 均呈现明显的宽频特性，声压级受套筒孔径和套筒间隙的影响，套筒间隙为8mm 时声压级取得极小值。
[0006]综上来看，目前已对控制阀开展了不同工况及结构参数下的振动及噪声特 性研究，但对于不同开度下多级套筒结构降压调节阀的声振耦合特性的研究鲜 有报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法， 以典型工况下高压降多级降压调节阀为研究对象，建立调节阀的三维声振耦合 计算模型，对不同开度和不同工况条件下调节阀的振动及噪声特性开展数值计 算，分析阀门开度和压差对调节阀振动及噪声的影响规律，为调节阀的减振降 噪设计提供理论依据和参考。
[0008]本专利技术提供了一种多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法，包括：
[0009]步骤1，对多级降压调节阀的流场进行仿真分析，得到调节阀内部流动计算 结果；
[0010]步骤2，在调节阀内部流动计算结果的基础上，基于有限元方法建立多级降 压调节阀的声振耦合计算模型，通过对不同开度和不同工况条件下调节阀的振 动及噪声特性进行数值模拟计算，获得调节阀的振动和噪声特性，以及不同开 度和不同压差对调节阀振动和噪声的影响规律。
[0011]进一步地，所述步骤1包括：
[0012]多级降压调节阀内部流动计算中阀门进、出口分别指定为压力进口和压力 出口的边界条件。
[0013]进一步地，所述步骤2包括确定数值计算网格及边界条件，具体包括：
[0014]在建立多级降压调节阀结构模型的基础上，简化处理多级降压调节阀的倒 圆和倒角结构，并对其进行四面体网格划分，在保证网格质量的同时控制模型 不同位置的网格疏密程度，以准确计算调节阀和管道的振动特性；
[0015]在声振耦合计算中，对调节阀及管道内壁面施加压力脉动边界条件，根据 多级降压调节阀和管道的实际使用情况，对调节阀和管道系统进行位移约束；
[0016]采用有限元方法计算阀门和管道的声振耦合特性，围绕调节阀和管道外壁 面采用凸网格形成远场声学计算面网格，在其中填充四面体网格进而形成噪声 辐射有限元计算网格，根据最高噪声频率确定声学网格的最大尺度，声学监测 点设在调节阀后1m、距管道外壁面1m处；
[0017]在声振耦合计算中，将调节阀及管道外壁面设置为声振耦合面；将管道的 出入口均指定为无反射边界条件，设置声阻抗为13
×
106kg/m2·
s；包络调节阀 和管道的远场面设置为AML表面，求解过程中根据计算频率自动生成符合计算 条件的PML层。
[0018]进一步地，所述步骤2的计算方法包括：
[0019]数值计算中瞬态流场模拟的时间步长为2
×
10
‑5s，取样间隔为6
×
10
‑5s，采样 总时长为0.1s，调节阀内壁面压力脉动的采样频率为10～8333Hz，计算中以cgns 格式导出壁面的压力值，得到不同开度及不同工况下调节阀和管道内壁面的压 力脉动信息；
[0020]将表面压力脉动信息导入LMS Virtual Lab计算软件，将时域压力数据映射 转移至调节阀和管道结构计算网格上，进行快速傅里叶变换将其转换为壁面上 的压力脉动频率信息；
[0021]将管道内壁面的频域压力信息作为载荷采用有限元方法对调节阀和管道的 声振耦合进行数值计算。
[0022]进一步地，所述步骤2还包括：
[0023]对调节阀不同开度下的模型进行振动计算分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法，其特征在于，包括：步骤1，对多级降压调节阀的流场进行仿真分析，得到调节阀内部流动计算结果；步骤2，在调节阀内部流动计算结果的基础上，基于有限元方法建立多级降压调节阀的声振耦合计算模型，通过对不同开度和不同工况条件下调节阀的振动及噪声特性进行数值模拟计算，获得调节阀的振动和噪声特性，以及不同开度和不同压差对调节阀振动和噪声的影响规律。2.根据权利要求1所述的多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1包括：多级降压调节阀内部流动计算中阀门进、出口分别指定为压力进口和压力出口的边界条件。3.根据权利要求2所述的多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括确定数值计算网格及边界条件，具体包括：在建立多级降压调节阀结构模型的基础上，简化处理多级降压调节阀的倒圆和倒角结构，并对其进行四面体网格划分，在保证网格质量的同时控制模型不同位置的网格疏密程度，以准确计算调节阀和管道的振动特性；在声振耦合计算中，对调节阀及管道内壁面施加压力脉动边界条件，根据多级降压调节阀和管道的实际使用情况，对调节阀和管道系统进行位移约束；采用有限元方法计算阀门和管道的声振耦合特性，围绕调节阀和管道外壁面采用凸网格形成远场声学计算面网格，在其中填充四面体网格进而形成噪声辐射有限元计算网格，根据最高噪声频率确定声学网格的最大尺度，声学监测点设在调节阀后1m、距管道外壁面1m处；在声振耦合计算中，将调节阀及管道外壁面设置为声振耦合面；将管道的出入口均指定为无反射边界条件，设置声阻抗为13
×
106kg/m2·
s；包络调节阀和管道的远场面设置为AML表面，求解过程中根据计算频率自动生成符合计算条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：方毅芳，唐春娥，赵婉琳，杜孟新，彭仕霖，
申请(专利权)人：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，
类型：发明
国别省市：