闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟
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4 声源的选取及声场初始条件的确定 4. 1 声源的选取及声压设定
( c0 + uy ( k, j) )
2
Δy2
( 3) ×[ p - 2p + p ] =0 式 ( 3 ) 为变系数离散方程 , 具有较高的二阶计 算精度 。其中 ,Δt为时间步长 , Δl (Δx, Δy ) 为空间
阀门气体内漏喷流噪声源成份复杂 , 可看作 由单极子 、 偶极子和四极子声源共同作用的结果 。 [2 ] 四极子声源在喷流噪声中占主导地位 , 所以选 取四极子声作为闸阀气体内漏喷流噪声源 。 [2 ] 根据 L ighthill 采用的量纲分析方法 , 可求 得了声源表面声压的计算公式 : 4 ρ D 0U 2 2 ρ ( 4) Ps = Ks = Ks D 0U M 2
c0
步长 。 3. 2 闸阀气体内漏模型及边界条件
式中 Ps — — — 声源表面声压 , Pa Ks — — — 比例常数 , 取 Ks = 0. 0825 D— — — 喷口当量直径 , m 3 ρ — — 气体密度 , kg /m 0 —
U— — — 喷柱速度 , m / s M— — — 马赫数
[3 ]
域 , 时 间 步 长 Δt = 0. 004, 空 间 步 长 Δx = Δy = 0. 01, 声速 c0 = 1 (以上参数均为无纲量 ) 。实线表 示闸阀壁面的全反射边界 , 点划线代表远离截流 口处的吸收边界 。气体内漏喷流扰动速度 ux 、 uy 用速度函数来代替 , 并转化成离散方程中的变系 数矩阵 。 h 为开度 。 采用第一类边界条件 (又称 D irichlet问题 ) 来 处理闸阀壁面的全反射 , 并对其它吸收区域采用 [4] 一阶 C layton - Engquist - M ajda吸收边界条件 。
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2007 年第 35 卷第 3 期 流 体 机 械
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5 闸阀气体内漏声场的数值模拟及分析 5. 1 闸阀气体内漏声场的数值模拟
利用上述方法 , 对闸阀气体内漏声场进行数 值模拟 , 以不同开度模拟不同内漏状态 。分别选 取开度 h = 1. 5、 1. 0、 0. 5、 0. 0、- 1. 0 和 - 2. 0, 对 应声场模拟结果如图 2 所示 。
4. 2 声场初始参数的确定
图 1 计算区域及边界条件
1. 一次截流位置 ; 2. 二次截流位置
考虑闸阀截流处流道的复杂性 , 借助 CFD 软 件在同一工况下分别对不同开度下的闸阀流场进 行了数值模拟 , 流场参数结果可为下一步的声场 模拟提供了基本参数 , 如表 1 所示 。
图 1 为闸阀气体内漏声场模拟的计算区域及 边 界条件示意图 。 计算区域为 60 × 40的矩形区
2007 年第 35 卷第 3 期 流 体 机 械
文章编号 : 1005 —0329 ( 2007 ) 03 —0029 —04
29
闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟
戴 光 ,王 兵 ,张 颖 , 赵俊茹
(大庆石油学院 , 黑龙江大庆 163318 )
Num er ica l S i m ula tion of the Sound F ield Genera ted by Ga te Va lve I nner L eakage
DA I Guang, WANG B ing, ZHANG Ying, ZHAO Jun 2ru (Daqing Petroleum Institute, Daqing 163318, China) Abstract: Based on the L ighthill aerodynam ic acoustics equation, the jet sound field generated by the inner leakage of gate valve according to different opening height is numerically sim ulated w ith the difference method. Numerical results show that jet sound p ressure has flow direction in the influence of jet disturbance and wall reflection, The acoustic intensity of backward posi2 tion is 15 ～30dB more than upper position’s, and reaches the highest level near the enlarged p ressure space, Numerical results p rovide advice and theory bases to acoustic exam ination of valve gas inner leakage. Key words: gate valve; inner leakage; aeroacoustics; jet sound field; numerical sim ulation
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1 前言
气体阀门内漏过程是一复杂的气体喷流过 程 , 并伴随有气动噪声的产生 。利用声学方法检 测这种噪声 , 可判断阀门是否发生内漏 , 以及对内 [1 ] 漏率进行估算 。由于阀门截流处流动状态的 复杂性 , 很难用理论方法准确分析气体喷流声场 的特性 。为此 , 本文采用数值模拟方法对阀门气 体内漏喷流声场进行模拟 , 分析其声场特性 , 为阀 门内漏的声学检测提供依据 。
1. 581 1. 118 0. 707 0. 500 0. 500 0. 500
215. 0 210. 0 192. 8 195. 5 190. 0 182. 0
0. 606 0. 583 0. 519 0. 528 0. 538 0. 530
2. 7120 1. 6930 0. 7164 0. 5384 0. 5279 0. 4711
) 变化曲线图 。从图中可以看 90 ° 变化 , 间隔 5 °
声场整体强度降低 , 声压随着方位角变化更为剧 烈 , 局部声压依然很高 , 指向性明显 。但是当 h ≤ 0 时 , 下游声场分布规律相似 , 这是由于此时闸板 与阀体间形成的泄漏通道宽度基本恒定 , 流场状 态变化不大造成的 。
图 3 不同 h, R = 24 处 , 声压随 方位角变化曲线
[2 ]
,
气体内漏过程中 , 射流喷柱不仅辐射强烈的 噪声 , 而且不均匀的气流还对声的传播 、 辐射等起 到扰动作用 。因此 , 考虑喷流速度扰动对喷流噪 声的影响 , 式 ( 1 ) 表示为 : 2 2 2 5p ( 2 5 p 2 5 p c0 + ux ) 0 + uy ) 2 2 - (c 2 =0 5t 5x 5y
出 , 远场声压具有方向性 , 不同的开度下最大声压 所对应的方位角不同 , 这是因为在二次截流口两 侧阀体壁面和喷柱的共同作用下 , 内漏喷流噪声 的传播具有方向性 , 而且不同的开度对应不同的 喷柱状态和喷射角度 , 这都直接影响着下游声场 的指向性和声场的分布 。随着开度的降低 , 下游
5. 2. 2 上 、 下游声场强度的衰减比较
图 4 为不同开度下 , 闸阀截流上 、 下游最大声 压 PS PL - m 随取样半径 R 变化曲线图 。从图中可以 看出 , 上 、 下游声场传播过程中 , 最大声压 PS PL - m 随着取样半径 R 的增大而逐渐降低 , 但上游声压 衰减得更快 。在相同取样半径上 , 下游最大声压
( a) h = 1. 5 ( b) h = 1. 0 ( c) h = 0. 5
( d) h = 0. 0 ( e) h = - 1. 0 ( f) h = - 2. 0
图 2 不同开度下闸阀气体内漏声场等声压线分布
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D MACH I N ERY Vol135, No13, 2007 30 FLU I
3 声场的数值模拟方法
采用时域差分法对式 ( 2 ) 进行离散处理 , 运 用全反射和无反射二种边界条件 , 建立闸阀气体 内漏声场的数值模拟方法 。 3. 1 气体喷流声场方程的离散化处理 采用二阶中心差分显格式 , 对式 ( 2 ) 进行时间 和空间离散处理如下 : n +1 n n- 1 2 ( c0 + ux ( k, j) ) pk, j - 2 pk, j + pk, j Δt2 Δx2 ×[ pk + 1, j - 2 pk, j + pk - 1, j ] n k, j + 1 n k, j n k, j - 1 n n n
( 2)
阀门气体内漏过程发声的理论基础是湍流过 程产生的波动压力场 , 虽然声源的形成机理复杂 , 但泄漏过程仍然满足流体的质量守恒及动量守恒
收稿日期 : 2006 —06 —20
式中 ux 、 uy — — — 喷柱 x, y 方向的扰动速度 , m / s
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
表 1 不同开度下闸阀声场基本参数 开度
h
喷口当量直径
D (mm )
喷柱速度
Um ax1 (m / s)
一次截流处 马赫数 声源声压
M m ax1 PS 1 ( Pa )
喷柱速度
Um ax2 (m / s)
二次截流处 马赫数 声源声压
M m ax2 PS 2 ( Pa )
1. 5 1. 0 0. 5 0 - 1. 0 - 2. 0
摘 要: 以 L ighthill气动声学方程为基础 ,采用时域差分方法 ,对不同开度下的闸阀气体内漏喷流声场进行了数值模 拟 。数值模拟结果表明 ,内漏喷流噪声在气流喷柱扰动和闸阀内壁反射的影响下 ,具有很强的方向性 ,下游声场强度要 比上游大 15 ～30dB ,在扩压腔产生最大声强 。模拟结果为阀门内漏的声学检测提供了依据 。 关键词 : 闸阀 ; 内漏 ; 气动声学 ; 喷流声场 ; 数值模拟 中图分类号 : TK730. 4 文献标识码 : A
308 270 240 244 245 243
0. 867 0. 750 0. 666 0. 660 0. 661 0. 664
11. 394 4. 6331 1. 8258 1. 3113 1. 3251 1. 3156
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5. 2 结果分析
由图 2 可以看出 , 闸阀气体内漏过程中 , 由于 气体湍流流动及阀体壁面的影响 , 内漏噪声分布 复杂 。在闸板与阀体底面形成的扩压空间里 , 两 次截流所产生的噪声在此空间相互作用 , 形成大 量的声涡 , 也是整个闸阀中声场最强的位置 。随 着开度 h 的变小 , 扩压空间随之减小 , 空腔内的声 压也降低 。下游声场强度受 h 影响很小 , 但对声 场的指向性影响很大 。 5. 2. 1 下游声场指向性分析 设截流口 (声源 ) 处的距离 R 为取样半径 , 与 x 轴逆时针方向旋转所成角度为声场方位角 θ 。 [2 ] 采用声压级 S PL 表示噪声的强度 。 图 3 是在不同开度下 , 在二次截流口下游取 样半径 R = 24 处 , 声压级 PS PL 随方位角 θ( 0 ° ～
2 气体喷流声场方程
定律 , 因此可采用描述流场产生噪声的 L ighthill 气动力声方程 , 其二维形式表示为 : 2 2 2 5p 2 5 p 2 5 p ( 1) 0 0 2 - c 2 - c 2 = f ( x, y, t) 5t 5x 5y 式中 p— — — 声压 , Pa
c0 — — — 均匀介质中的声速 , m / s f— — — 应力源 , 做为外加声源处理时 f =0
( c0 + uy ( k, j) )
2
Δy2
( 3) ×[ p - 2p + p ] =0 式 ( 3 ) 为变系数离散方程 , 具有较高的二阶计 算精度 。其中 ,Δt为时间步长 , Δl (Δx, Δy ) 为空间
阀门气体内漏喷流噪声源成份复杂 , 可看作 由单极子 、 偶极子和四极子声源共同作用的结果 。 [2 ] 四极子声源在喷流噪声中占主导地位 , 所以选 取四极子声作为闸阀气体内漏喷流噪声源 。 [2 ] 根据 L ighthill 采用的量纲分析方法 , 可求 得了声源表面声压的计算公式 : 4 ρ D 0U 2 2 ρ ( 4) Ps = Ks = Ks D 0U M 2
c0
步长 。 3. 2 闸阀气体内漏模型及边界条件
式中 Ps — — — 声源表面声压 , Pa Ks — — — 比例常数 , 取 Ks = 0. 0825 D— — — 喷口当量直径 , m 3 ρ — — 气体密度 , kg /m 0 —
U— — — 喷柱速度 , m / s M— — — 马赫数
[3 ]
域 , 时 间 步 长 Δt = 0. 004, 空 间 步 长 Δx = Δy = 0. 01, 声速 c0 = 1 (以上参数均为无纲量 ) 。实线表 示闸阀壁面的全反射边界 , 点划线代表远离截流 口处的吸收边界 。气体内漏喷流扰动速度 ux 、 uy 用速度函数来代替 , 并转化成离散方程中的变系 数矩阵 。 h 为开度 。 采用第一类边界条件 (又称 D irichlet问题 ) 来 处理闸阀壁面的全反射 , 并对其它吸收区域采用 [4] 一阶 C layton - Engquist - M ajda吸收边界条件 。
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5 闸阀气体内漏声场的数值模拟及分析 5. 1 闸阀气体内漏声场的数值模拟
利用上述方法 , 对闸阀气体内漏声场进行数 值模拟 , 以不同开度模拟不同内漏状态 。分别选 取开度 h = 1. 5、 1. 0、 0. 5、 0. 0、- 1. 0 和 - 2. 0, 对 应声场模拟结果如图 2 所示 。
4. 2 声场初始参数的确定
图 1 计算区域及边界条件
1. 一次截流位置 ; 2. 二次截流位置
考虑闸阀截流处流道的复杂性 , 借助 CFD 软 件在同一工况下分别对不同开度下的闸阀流场进 行了数值模拟 , 流场参数结果可为下一步的声场 模拟提供了基本参数 , 如表 1 所示 。
图 1 为闸阀气体内漏声场模拟的计算区域及 边 界条件示意图 。 计算区域为 60 × 40的矩形区
2007 年第 35 卷第 3 期 流 体 机 械
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闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟
戴 光 ,王 兵 ,张 颖 , 赵俊茹
(大庆石油学院 , 黑龙江大庆 163318 )
Num er ica l S i m ula tion of the Sound F ield Genera ted by Ga te Va lve I nner L eakage
DA I Guang, WANG B ing, ZHANG Ying, ZHAO Jun 2ru (Daqing Petroleum Institute, Daqing 163318, China) Abstract: Based on the L ighthill aerodynam ic acoustics equation, the jet sound field generated by the inner leakage of gate valve according to different opening height is numerically sim ulated w ith the difference method. Numerical results show that jet sound p ressure has flow direction in the influence of jet disturbance and wall reflection, The acoustic intensity of backward posi2 tion is 15 ～30dB more than upper position’s, and reaches the highest level near the enlarged p ressure space, Numerical results p rovide advice and theory bases to acoustic exam ination of valve gas inner leakage. Key words: gate valve; inner leakage; aeroacoustics; jet sound field; numerical sim ulation
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1 前言
气体阀门内漏过程是一复杂的气体喷流过 程 , 并伴随有气动噪声的产生 。利用声学方法检 测这种噪声 , 可判断阀门是否发生内漏 , 以及对内 [1 ] 漏率进行估算 。由于阀门截流处流动状态的 复杂性 , 很难用理论方法准确分析气体喷流声场 的特性 。为此 , 本文采用数值模拟方法对阀门气 体内漏喷流声场进行模拟 , 分析其声场特性 , 为阀 门内漏的声学检测提供依据 。
1. 581 1. 118 0. 707 0. 500 0. 500 0. 500
215. 0 210. 0 192. 8 195. 5 190. 0 182. 0
0. 606 0. 583 0. 519 0. 528 0. 538 0. 530
2. 7120 1. 6930 0. 7164 0. 5384 0. 5279 0. 4711
) 变化曲线图 。从图中可以看 90 ° 变化 , 间隔 5 °
声场整体强度降低 , 声压随着方位角变化更为剧 烈 , 局部声压依然很高 , 指向性明显 。但是当 h ≤ 0 时 , 下游声场分布规律相似 , 这是由于此时闸板 与阀体间形成的泄漏通道宽度基本恒定 , 流场状 态变化不大造成的 。
图 3 不同 h, R = 24 处 , 声压随 方位角变化曲线
[2 ]
,
气体内漏过程中 , 射流喷柱不仅辐射强烈的 噪声 , 而且不均匀的气流还对声的传播 、 辐射等起 到扰动作用 。因此 , 考虑喷流速度扰动对喷流噪 声的影响 , 式 ( 1 ) 表示为 : 2 2 2 5p ( 2 5 p 2 5 p c0 + ux ) 0 + uy ) 2 2 - (c 2 =0 5t 5x 5y
出 , 远场声压具有方向性 , 不同的开度下最大声压 所对应的方位角不同 , 这是因为在二次截流口两 侧阀体壁面和喷柱的共同作用下 , 内漏喷流噪声 的传播具有方向性 , 而且不同的开度对应不同的 喷柱状态和喷射角度 , 这都直接影响着下游声场 的指向性和声场的分布 。随着开度的降低 , 下游
5. 2. 2 上 、 下游声场强度的衰减比较
图 4 为不同开度下 , 闸阀截流上 、 下游最大声 压 PS PL - m 随取样半径 R 变化曲线图 。从图中可以 看出 , 上 、 下游声场传播过程中 , 最大声压 PS PL - m 随着取样半径 R 的增大而逐渐降低 , 但上游声压 衰减得更快 。在相同取样半径上 , 下游最大声压
( a) h = 1. 5 ( b) h = 1. 0 ( c) h = 0. 5
( d) h = 0. 0 ( e) h = - 1. 0 ( f) h = - 2. 0
图 2 不同开度下闸阀气体内漏声场等声压线分布
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3 声场的数值模拟方法
采用时域差分法对式 ( 2 ) 进行离散处理 , 运 用全反射和无反射二种边界条件 , 建立闸阀气体 内漏声场的数值模拟方法 。 3. 1 气体喷流声场方程的离散化处理 采用二阶中心差分显格式 , 对式 ( 2 ) 进行时间 和空间离散处理如下 : n +1 n n- 1 2 ( c0 + ux ( k, j) ) pk, j - 2 pk, j + pk, j Δt2 Δx2 ×[ pk + 1, j - 2 pk, j + pk - 1, j ] n k, j + 1 n k, j n k, j - 1 n n n
( 2)
阀门气体内漏过程发声的理论基础是湍流过 程产生的波动压力场 , 虽然声源的形成机理复杂 , 但泄漏过程仍然满足流体的质量守恒及动量守恒
收稿日期 : 2006 —06 —20
式中 ux 、 uy — — — 喷柱 x, y 方向的扰动速度 , m / s
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
表 1 不同开度下闸阀声场基本参数 开度
h
喷口当量直径
D (mm )
喷柱速度
Um ax1 (m / s)
一次截流处 马赫数 声源声压
M m ax1 PS 1 ( Pa )
喷柱速度
Um ax2 (m / s)
二次截流处 马赫数 声源声压
M m ax2 PS 2 ( Pa )
1. 5 1. 0 0. 5 0 - 1. 0 - 2. 0
摘 要: 以 L ighthill气动声学方程为基础 ,采用时域差分方法 ,对不同开度下的闸阀气体内漏喷流声场进行了数值模 拟 。数值模拟结果表明 ,内漏喷流噪声在气流喷柱扰动和闸阀内壁反射的影响下 ,具有很强的方向性 ,下游声场强度要 比上游大 15 ～30dB ,在扩压腔产生最大声强 。模拟结果为阀门内漏的声学检测提供了依据 。 关键词 : 闸阀 ; 内漏 ; 气动声学 ; 喷流声场 ; 数值模拟 中图分类号 : TK730. 4 文献标识码 : A
308 270 240 244 245 243
0. 867 0. 750 0. 666 0. 660 0. 661 0. 664
11. 394 4. 6331 1. 8258 1. 3113 1. 3251 1. 3156
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
5. 2 结果分析
由图 2 可以看出 , 闸阀气体内漏过程中 , 由于 气体湍流流动及阀体壁面的影响 , 内漏噪声分布 复杂 。在闸板与阀体底面形成的扩压空间里 , 两 次截流所产生的噪声在此空间相互作用 , 形成大 量的声涡 , 也是整个闸阀中声场最强的位置 。随 着开度 h 的变小 , 扩压空间随之减小 , 空腔内的声 压也降低 。下游声场强度受 h 影响很小 , 但对声 场的指向性影响很大 。 5. 2. 1 下游声场指向性分析 设截流口 (声源 ) 处的距离 R 为取样半径 , 与 x 轴逆时针方向旋转所成角度为声场方位角 θ 。 [2 ] 采用声压级 S PL 表示噪声的强度 。 图 3 是在不同开度下 , 在二次截流口下游取 样半径 R = 24 处 , 声压级 PS PL 随方位角 θ( 0 ° ～
2 气体喷流声场方程
定律 , 因此可采用描述流场产生噪声的 L ighthill 气动力声方程 , 其二维形式表示为 : 2 2 2 5p 2 5 p 2 5 p ( 1) 0 0 2 - c 2 - c 2 = f ( x, y, t) 5t 5x 5y 式中 p— — — 声压 , Pa
c0 — — — 均匀介质中的声速 , m / s f— — — 应力源 , 做为外加声源处理时 f =0