输气管道气体流经阀门气动噪声产生机理分析

方程： Ａ（ ） ｐ ＝ Ｂ（ ） ｖｎ ω ω 表面法线方向节点速度；Ａ，Ｂ 为影响矩阵。 流体模型表面的声压、 速度、 声强等在求解系统方 程时可直接获得。声场中任一点声压计算式为： Ｐｐ ＝ｄＴ ｐ ＋ｂ Ｔ ｖｎ （ ５） 式中：Ｐｐ 为声场中任一点声压；ｐ 为边界节点声压；ｖｎ 为边界节点法向速度向量；ａ，ｂ 为插值系数矩阵。 １． ４㊀输气管道气体流经阀门气动噪声求解流程 本文采用 ＣＦＤ 仿真模拟软件 Ｆｌｕｅｎｔ 和专业声学软 件 ＳＹＳＮＯＩＳＥ 对管道声场进行求解， 具体流程如下： （ ４） 式中：ｐ 为流体模型表面上的节点压力；ｖｎ 为流体模型
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｅｒｏ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｏｉｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ｖａｌｖｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ＬＩＵ Ｃｕｉ ｗｅｉ １ ，ＬＩ Ｙｕ ｘｉｎｇ１ ，Ｗ ＡＮＧ Ｗ ｕ ｃｈａｎｇ１ ，ＸＩＥ Ｚｈｕ ｚｈｕ２
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振 动 与 冲 击㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１４ 年第 ３３ 卷
该装置所用气体介质为压缩空气。在管路实验台 架中用平齐式安装压力传感器方法， 在阀门上、 下游分 别安装压力传感器， 上下游音波传感器距离球阀球心 １ ｍ， 测量球阀的阀门噪声， 获得阀门上下游压力 均 ０． 信号频谱图， 采样率 ３０ ０００ Ｈｚ 。音波传感器作为音波 泄漏检测实验的核心元件选购美国 ＰＣＢ 生产的 １０６Ｂ 型动态压力传感器， 其测量范围 － ５７． ２ ５７． ２ ｋＰａ， 灵 敏度 ４３． ５ ｍＶ ／ ｋＰａ， 可 测 最 大 动 压 １ ３７９ ｋＰａ， 能在 １３ ７９０ ｋＰａ 环境压力下工作， 分辨率达 ０． ０００ ６９ ｋＰａ， 谐 振频率 ６０ ｋＨｚ 。该装置建立高速实时数据采集系统， 用 ＮＩ 公司型号为 ＰＣＩ６２２９ 的常规数据采集卡及型号为 ＰＣＩ４４７４ 的 动 态 数 据 采 集 卡 （ 用于泄漏声波信号采 集） ， 可进行高速数据采集， 保证泄漏检测的实时性及 定位精度， 系统采样频率可超过 ２０ ｋＨｚ 。
ρ ＋ （ ｕ ｉ ） ＝０ ρ ｔ ｘｉ
式中：ρ 为流体密度；μ为湍流粘性系数；τ ｉｊ为亚格子 尺度应力，τ ｕｉ ｕｊ － ｕ ｉ ｕ ｊ。加上划线量为滤波后场 ρ ρ ｉｊ ＝ 变Βιβλιοθήκη Baidu。 １ ２㊀ＦＷ － Ｈ 声拟理论
８－ １０ ］ Ｆｆｏｗｃｓ Ｗｉｌｌｉａｍｓ 等 ［ 解决运动物体在流体中发
［ ７］
㊀㊀在输气管道气体流经阀门气动噪声研究中， 单极 子声源强度与阀门刚性表面水平方向速度有关， 可忽 略， 因此本文主要研究输气管道气体流经阀门产生的 偶极子声源与四极子声源。 １． ３㊀直接边界元法求解气动噪声
１１ － １６ ］ 在 Ｓｙｓｎｏｉｓｅ 中， 直 接 边 界 元 法［ 即求解系统
（ １． 中国石油大学（ 华东） ， 山东㊀青岛㊀２６６５５５ ； ２． 中国石油集团工程设计有限责任公司 北京分公司， 北京㊀１０００８５ ）
㊀㊀摘㊀要：为区分输气管道泄漏音波与阀门噪声， 为输气管道音波法泄漏检测提供理论依据及数据库、 控制阀门噪
声提供解决办法， 从音波产生机理角度采用 ＣＦＤ 软件耦合专业声学软件方法对输气管道气体流经阀门产生的气动噪声 进行研究， 建立气动噪声模型， 探究气动噪声产生机理及传播、 衰减规律。在 ＣＦＤ （ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ） 软件中 采用大涡湍流模型对气体流经阀门时的瞬态流场求解分析， 获得流场分布如脉动压力、 脉动速度数据； 将 ＣＦＤ 计算所得 数据导入专业声学软件进行联合仿真， 生成气动噪声源项， 包括偶极子声源及四极子声源， 建立气动噪声产生传播模型， 求解输气管道气体流经阀门的气动噪声。 关键词：输气管道； 音波法泄漏检测； 气动噪声； 联合仿真； 瞬态流场； 等效声源 中图分类号：ＴＥ９７３ ； ＴＥ８８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ
振㊀动㊀与㊀冲㊀击 第 ３３ 卷第 ２ 期 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ Ｖｏｌ． ３３ Ｎｏ． ２ ２０１４㊀

输气管道气体流经阀门气动噪声产生机理分析
刘翠伟 １ ，李玉星 ，王武昌 １ ，谢祝祝２
６］ 噪声 ［ 由直接作用于流体的振动力、 流体本身剧烈运
准确性提供保证， 研究阀 中， 流体流动对噪声影
门产生的噪声十分必要。 在天然气长输管道系统
［ ５］
响主要有： 流 ① 流体流动对噪声传播的多普勒效应， 动速度较大时（ Ｍ ａ＞ ０． ３） ， 多普勒效应明显， 不直接影
基金项目：国家自然基金（ ５ １０７４１７５ ） ； 国家自然基金（ ５ １ １０４１７５ ） ； 中央 高校基本科研业务费专项资金资助（ １ １ ＣＸ０６０７５ Ａ ） 收稿日期：２０１２ － ０６ － ０６㊀修改稿收到日期： ２０１３ － ０１ － ３０ 第一作者 刘翠伟 男， 博士生， １９８７ 年生 通讯作者 李玉星 男， 教授， 博士生导师， １９７０ 年生
， 分析输气管道气
体流经阀门气动噪声的产生、 传播及衰减规律； 通过音 波法泄漏检测试验装置对模拟结果进行试验验证。
１㊀ＣＦＤ 软件与声学软件联合仿真理论分析
１ １㊀输气管道气体流经阀门流场计算 对流场稳态模拟后以稳态模拟结果为初始条件进 行瞬态模拟。稳态模拟用 ｋ － 瞬态模拟用 ＬＥＳ ε方程， 大涡模拟方程。对瞬态 ＬＥＳ 大涡模拟主要为： 用瞬时 Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ 方程直接计算湍流中大尺度涡， 小尺度涡 对大尺度运动影响则建立模型模拟， 即先建立数学滤 波函数， 从湍流瞬时运动方程中将尺度比滤波函数尺 度小涡滤掉， 分解出描写大涡流场的运动方程； 再通过 在大涡流场运动方程中引入附加应力项体现被滤掉的 小涡对大涡运动影响， 该数学模型称为亚格子尺度模 型（ ＳｕｂＧｒｉｄ － Ｓｃａｌｅ ｍｏｄｅｌ， ＳＧＳ ） 。 控制方程组为： （ ｕ ｉ ）＋ （ ｕ ｉ ｕ ｊ） ＝ ρ ρ ｔ ｘｊ τ ｐ ｕｉ ｉｊ ＋ － ｘｉ ｘｊ μ ｘ ｘｊ ｊ
图 １ ㊀分析流程图 Ｆｉｇ． １ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ａｎａｌｙｓｅｓ
(
)
（ １） （ ２）
２㊀实验装置
实验装 置 设 计 压 力 ６． ４ Ｍ Ｐａ， 允许最高压力 ８ Ｍ Ｐａ， 管径 １４ ｍｍ ， 壁厚 ２ ｍｍ ， 设计流量 ６０ ｍ３ ／ ｈ 。实验 架总长 ２５０ ｍ ， 可实现高压力、 大雷诺数下输气管道音 波泄漏检测及定位功能， 见图 ２ 。
声问题， 获得 Ｆｆｏｗｃｓ Ｗｉｌｌｉａｍｓ ＆ Ｈａｗｋｉｎｇｓ 方 程 （ 简称 ＦＷ － Ｈ 方程） ： ᶄ ２ ２ ρ ｆ ᶄ＝ （ ｆ ）－ ρ δ ２ －ａ ０ ρ ０ ｕｉ ｔ ｘｉ ｔ
２
[
]
２ Ｔｉｊ ｆ （ ｐᶄ （ ｆ ）＋ δ δ ｉｊ ｘｉ ｘｉ ｘｊ ｘｉ
动等产生， 即流噪声。 输气管道气动噪声研究方法主要有三类： 计算气 ＣＦＤ 软件计算气动噪声方法及 ＣＦＤ 软件 动声学方法， 联合声学软件仿真计算方法。用有限体积法求解输气
第 ２ 期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘翠伟等：输气管道气体流经阀门气动噪声产生机理分析
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管道气体流经阀门的流场， 用边界元法求解阀门声场， 具体实现方法即 ＣＦＤ 软件联合专业声学软件仿真方 ＬＥＳ ） 计算输气管道气体流经阀 法。用大涡湍流模型（ 门瞬态流场， 获得流场变量如压力、 速度等参数的时域 精确解； 用专业声学分析软件 Ｓｙｓｎｏｉｓｅ 读取计算流体动 力学（ ＣＦＤ） 计算所得流场分布， 通过快速傅里叶变换 Ｈ 方程将流场分布 将时域数据转换到频域， 利用 ＦＷ － 结果转化为结构表面偶极子声源及流场中四极子声 源， 计算出声源作用引起的声场分布， 并考虑声源周围 结构引起的反射、 衍射等声场特征
［ １－ ４］
响声源强度， 只影响声音传播； ② 流体与结构耦合作 用使结构振动发声， 流体湍流运动导致结构表面压力 脉动， 对结构产生负载， 引起结构振动而辐射噪声； ③ 流体湍流运动形成的流噪声、 湍流引起的压力或速度 脉动形成直接噪声源， 可等效为理论声源， 包括偶极子 声源、 四极子声源。输气管道中音波主要由压缩机启 停运行、 阀门开关、 泄漏分支管等产生的噪声所致。此 音波主要为气动噪声、 气体流动所致结构噪声。气动
[
]
（ ３）
图 ２㊀实验管架图 Ｆｉｇ． ２ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍａｐ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ
式中： 等号右边三项为单极子声源项， 由表面加速度引 起（ 流体位移分布） ； 由表面脉动压力引起的声源（ 力分 布） 偶极子声源； 流体紊流所产生的四极子声源。
（ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ） ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５５５ ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＣＯ． ，ＬＴＤ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５ ，Ｃｈｉｎａ）
㊀㊀ Ａｂｓｔｒａｃｔ： ㊀ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｌｅａｋａｇｅ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｎｏｉｓｅ ，ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ａ ｄａｔａｂａｓｅ ｆｏｒ ｌｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｎｏｉｓｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｅｒｏ ｎｏｉｓｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ｖａｌｖｅｓ ｉｎ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ａｎ ａｅｒｏ ｎｏｉｓｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｆｒｏｍ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｒｕｌｅｓ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｔｈｅ ａｅｒｏ ｎｏｉｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ． Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｈｅｎ ｇａｓ ｆｌｏｗｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｖａｌｖｅｓ ｉｎ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｃｏｕｓｔｉｃ ＢＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＹＳＮＯＩＳＥ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｒｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｐｏｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ，ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ａｅｒｏ ｎｏｉｓｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｅｒｏ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ；ｌｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ；ａｅｒｏ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｏｉｓｅ ；ＣＦＤ ａｎｄ ＳＹＳＮＯＩＳＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ㊀㊀阀门作为流动输送与控制系统中常用机械设备， 主要调节、 控制流体质量流量、 压力及流动方向以满足 工作系统要求。因此， 考虑管道安全、 减振、 降噪， 为长 输管道音波法泄漏检测