管道阀门共振腔气动噪声特性及规律研究

V ol 38No.Z1

Apr.2018

噪

声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第38卷第Z1期2018年4月

文章编号：1006-1355(2018)Z1-0199-04

管道阀门共振腔气动噪声特性及规律研究

白长安1，陈天宁1，张锴2，谢永诚2

（1.西安交通大学机械学院，西安710049；

2.上海核工程研究设计院,上海200233）

摘要：以管道阀门共振腔为研究对象，通过试验测试和数值仿真的方法研究共振腔气动噪声特性及规律。本文应用专业的流体力学分析软件与声学分析软件耦合，求解管道阀门共振腔噪声及传播特性。通过仿真结果与试验结果相对比，讨论和研究管道和阀门尺寸、流速等因素对噪声频率及声压大小的影响。研究结果表明，声共振现象发生在斯特劳哈数为0.3～0.6的区域内，且声共振频率随流速的增加表现出频率锁定特征，随旁支管长度的增大，声共振频率降低。

关键词：振动与波；共振腔；气动噪声；斯特劳哈数；声传播中图分类号：

文献标志码：A

DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.042

Study on Aerodynamic Noise Characteristics and Regulations of

Resonance Cavities in Pipeline Valves

BAI Changan 1,CHEN Tianning 1,ZHANG Kai 2,XIE Yongcheng 2

(1.School of Mechanical Engineering,State Key Laboratory for Strength and Vibration

of Mechanical Structures,Xi ’an Jiaotong University,Xi ’an 710049,China;2.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanghai 200233,China )

Abstract :Aerodynamic noise characteristics and regulations of resonance cavities were studied by test method and numerical simulation.Fluid mechanics analysis software and acoustic analysis software were used to solve the resonance cavity noise and the sound propagation characteristics of pipeline valves.By comparing simulation results with test results,the influences of the size and flow velocity in the pipeline and valves on sound frequency and sound pressure are discussed.The results show that the phenomenon of acoustic resonance occurs when Strouhal number is in the range of 0.3~0.6,acoustic resonance frequency shows a frequency-locked characteristic with the increase of the flow velocity,and the acoustic resonance frequency decreases with the increase of the side branch length.

Keywords :acoustics;resonance cavity;aerodynamic noise;Strouhal number;sound propagation

国内外大量研究表明，声共振是导致核电蒸汽发生器内部结构失效的重要原因。蒸汽在主蒸汽管线阀门交接支管腔室内形成流体介质的声共振，放大的声压力波在主蒸汽管线流体介质内按声速传播，作用到结构表面[1]。当管道阀门处声共振频率与结构的频率接近，那么结构可能出现大幅振动并导致严重破损[2]。

从上个世纪80年代就有文献介绍国外学者对

收稿日期：2018-03-10

作者简介：白长安（1987-），男，山东省泰安市人，博士生，主

要研究方向为气动噪声研究。

通信作者：陈天宁，男，教授，博士生导师。

E-mail:tnchen@

阀门噪声的研究，国内的中科院声学所李沛滋[3–4]课题组在1985年－1986年对阀门噪声机理及降噪方法进行研究，首先把阀门噪声源归结为机械噪声源、气动噪声源和空化噪声源，并用理论与试验相结合的方法研究孔板对降低噪声的作用，为国内低噪声阀门的研究做了很好的铺垫；2005年Jewook Ryu,Cheolung Cheong 等[5]采用噪声测试的方法对发动机进排气管道中阀芯开度与噪声大小进行研究，得到不同阀芯开度对管道噪声大小的影响规律；T.H.Alber,B.M.Gibb [6–7]等研究阀门噪声源在建筑内传播时结构声传播和空气声传播特性，并建立平板分析模型进行结构声传播分析，可以有效快速的预测阀门噪声在结构中的传播。

第38卷

噪声与振动控制阀门产生气动噪声时，往往与流速、腔体形状等参数相关，与阀门斯托劳哈尔数有密切关系。2010年上海交通大学欧阳华[8]课题采用试验方法研究压缩机管路中啸叫声发声机理及规律，发现当斯托劳哈尔数为0.51时啸叫声最为明显。2014年湖南大学谷正气[9]课题组研究当车窗打开时高速行驶的汽车会产生阀腔式气动噪声，在中低频产生明显的峰值，通过研究车窗不同开度时气动噪声大小，初步探索了风噪声与流速和车窗开度的规律。

目前对于管道阀门噪声的研究大多基于试验测试，采用数值仿真计算方法验证管道阀门共振腔噪声性能的研究较少，如加拿大谢布克大学的M.Sanjos ’e 课题组[10]在2014到2016年间发表多篇阀门噪声相关研究的文献，对特种阀门进行壁面脉动压力测试，从而得到阀门内部噪声水平，虽然得到斯托拉哈尔数与声压级的关系，但文献中测试与数值分析的对比曲线误差较大，共振频率不能很好的吻合，不能有效探究该特种阀门气动噪声机理。

本论文基于数值仿真分析与试验测试相结合的研究思路，对管道阀门共振腔（文章简称“共振腔”）进行系统的仿真计算研究，主要研究管道和阀门尺寸、流速等因素对噪声频率及声压大小的影响。

1共振腔模型及噪声试验测试

本文选取其中一种尺寸的管道阀门结构进行研究。共振腔主管道直径为d ，高度为h ，旁支管总长度为1800mm ，其中共振腔上游长度为600mm ，下游为1200mm ，直径为110mm ，，模型CAD 如图1

所示。

图1管道阀门结构尺寸

数值仿真和试验测试时，管道左端为流体进入端，管道右端为流体流出端，旁支管上端封闭，构成封闭的旁支管，即管道阀门共振腔。流场监测点如

图2所示，共设置5个监测点，P1位于管道上游，P2位于旁支管下方，在旁支管与共振腔轴线相交点上，P3与P4均分共振腔，P5位于管道下游。

共振腔噪声试验测试时，对不同形状和尺寸的共振腔，在不同的流速下对前端、共振腔壁面、共振腔后端的不同测点进行声场的时序信号和线谱，以及流速和压力，分析管道共振腔与声场、流场的关系，根据试验结果对仿真模型进行校验和修正。

试验设施包括气流产生系统、试验管道装置和测试系统3部分。气流系统由变频风机、直管、前级变径管组成。试验管道装置系统由主管道和共振腔组成。由于共振腔气流流速很高，为了能在高速气流下进行有效的声学测试，传声器前端需要衰减气流的多孔材料层，以尽可能减少气流对传声器的影响。各声场测点采用套管的方式安装传声器和多孔材料。

2管道气动噪声计算

关于管道气动噪声的计算方法，Lighthill 于1950年在研究喷管气动噪声问题中首次提出混合方法，并基于混合方法得到经典的Lighthill 方程，式（1）和式（2）所示，标志着近代气动-声学的产生。最早的Lighthill 方程忽略声场对流场的反馈，并且只能应用于声源是静止而且声场作用在非固体壁面上的自由空间。Curle 使用基尔夫霍夫方法首先将Lighthill 方程推广到考虑静止固体边界的影响。Ffowcs-Williams 和Hawkings 应用广义函数法得到FW-H 方程，式（3）所示，成为目前气动-声学计算中广泛使用的方程。

∂2p ′∂t 2

-c 20∂2p ′

∂x i ∂x i ︸（1）

=

∂2T ij ∂x i ∂x j ︸（2）

（1）T ij =ρu i u j +p ij -a 20ρδij

（2）

1a 20∂2p ′

∂t

2

-∇2p ′=

∂2∂x i ∂x j [T ij H (f )]-∂∂x i {[P ij n j

+ρu i (u n -v n

)]δ(f )}+∂∂t {[ρ0v n

+ρ(u n -v n

)]δ(f )}

(3)

图2试验系统示意图

200