[发明专利]多级降压调节阀流激振动及噪声数值模拟方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及多级降压调节阀技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容