CN109325265A - 一种管道阀门降噪模型设计构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道阀门降噪模型设计构建方法。建立阀门模型和初始降噪模型，进行流体域的抽取获得流道模型；对流道模型进行网格划分，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型；将流道网格模型计算模型中流道的流量系数和阻力系数，进行两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果进行比较，保留获得仅一套流道网格模型；进行数值模拟计算，将流道网格模型进行数值模拟计算，进行流场分析，分别截取总压云图和速度云图，分析后对初始降噪模型进行调整获得降噪模型。本发明方法能大大减少人力物力，较小废料的产生，在工程上具有实际意义。
Description
技术领域
本发明属于阀门技术领域的一种阀内结构模型设计构建方法，尤其是涉及了一种管道阀门降噪模型设计构建方法。
背景技术
阀门噪声是噪声控制工程中经常遇到的一个严重问题，特别在大型管道阀门附近，会产生较大的噪声，这严重地污染了周围的环境。自六十年代以来，对降低阀门噪声的方法已引起世界各国的普遍重视。研究在阀门输送液体和气体中产生噪声的原因时，发现炼油装置的调节阀在噪声方面仅次于压缩机和鼓风机，居第三位。而且在许多工厂已成为主要的危害之一。这种噪声严重影响工人及工厂邻近居民的身体健康，在高噪声阀门附近操作是不允许的。因为它引起的暂时症状是头晕、头痛和耳聋，长期下去，会永久伤害听力，甚至在一定距离内能极度损伤神经和气质，危及人身安全。
欧洲各国和美国、日本等国已制订了噪声度标准，规定工业生产中允许噪声度，国际标准化组织也提出了噪声度建议标准。近年来，国外对阀门噪声进行了专门研究、测试和分析，设计了低噪声阀门，提出了防止措施。
在我国，对阀门噪声问题也引起重视并提出许多降噪方法。但大多阀门降噪设计方法，都是通过实验完成。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明要解决的问题是一种管道阀门降噪模型设计构建方法，通过在阀后加降噪结构进行降噪，并且通过数值模拟后进行流场分析，进而调整降噪结构。
如图1所示，本发明采用以下技术方案：
本发明中，液体流经管道时，由于湍流和摩擦激发的压强扰动就会产生噪声。尤其流经节流或降压阀门、截面突变的管道时，湍流与这些阻碍流体通过的部分相互作用产生涡流噪声，若管路设计不当还可以产生空化噪声。当管道内流体流速足够时，若阀门部分关闭，则在阀门人口处形成大面积扼流，在扼流区域液体流速提高而内部静压降低，当流速大于或等于介质的临界速度时，静压低于或等于介质的蒸发压力，则在流体中形成气泡。气泡随液体流动，在阀门扼流区下游流速逐渐降低，静压升高，气泡相继被挤破，引起流体中无规则的压力波动，产生的噪声。噪声顺流而下可沿管道传播很远。本发明为降低阀门噪音，采用在阀后加降噪结构，采用特殊的降噪模型设计构建方法能够逐级降低流速和阀后压力，从而达到降噪的目的。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过数值模拟方式采用特殊设计的方法进行降噪装置的分析和结构调整与通过实验方法改进降噪装置相比。本发明对整个流道进行数值模拟，得到流道内部的流动情况，为降噪装置的设计提供了依据；它可以通过计算机直接计算，得到整个流道的噪声值，可对降噪装置的降噪效果进行评估，可减少环境噪声对噪声值的影响。用数值模拟的方法对降噪装置分析和结构调整，认识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，还可以了解其整体与局部的压力和速度分布情况。
本发明可大大减少人力物力，较小废料的产生，在工程上具有实际意义。
附图说明
图1是本次计算的流程图；
图2是阀门模型图；
图3是初始降噪模型图；
图4是整体管道图；
图5是流道模型图；
图6是流道网格模型图；
图7是改进降噪模型前的总压云图；
图8是改进降噪模型后的总压云图；
图9是改进降噪模型前的速度云图；
图10是改进降噪模型后的速度云图；
图11是噪声云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例及其实施过程如下：
步骤一：建立模型
先建立阀门模型、初始降噪模型，然后根据阀门模型、初始降噪模型进行流体域的抽取获得流道模型。
1.1建立管道模型
采用SolidWorks软件进行建模，管道上安放阀门，根据实际管道结构对管道上的阀门进行三维建模，获得阀门模型。如图2所示，图中可见阀门模型具体为蝶阀三维模型。
1.2建立降噪模型
根据设计要求初步建立降噪基本结构，将初始降噪模型配合安放于阀门后端(沿流动前进方向的一端)的管道内，如图4所示，采用solidworks软件对初始降噪模型进行建模获得初始降噪模型，如图3所示，图中可见初始降噪模型具体为端面上开设七圈周向间隔均布通孔的环形圆盘。
1.3建立流体域
在阀门之前选取长度5倍于管径的管道，在阀门之后选取长度10倍于管径的管道，根据选取的管道进行流体域的抽取，作为流道模型，如图5所示。
步骤二：计算前处理
2.1网格划分
采用icem软件对流道模型进行网格划分，网格类型采用非结构网格，调整网格质量到0.3以上，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型，其中一套如图6所示。
2.2网格无关性验证
首先，将流道网格模型导入ANSYS-FLUENT软件中计算模型中流道的流量系数和阻力系数。流阻特性是代表阀门流通能力非常重要的一组参数，也是阀门内部流动特性的外在表现，本发明通过管道内流阻系数作为网格无关性验证的重要依据，计算方式如下所示：
1.阻力系数：流体在管道系统流动时，受到截流面积的影响，会产生阻力作用。阻力系数的表达式为：
式中，ζ为阻力系数，△p为阀的压力损失，单位为百帕；v为管道中流体介质的平均流速，单位m/s；ρ为流体的密度，单位为Kg/m3。
2.流量系数：表示阀门的流通能力，是一个无纲量，其数学表达式为：
式中，Kv为流量系数，ΔP为阀的压力损失，单位为百帕；Q为进口流量，单位m3/h；ρ为流体的密度，单位为Kg/m3。
接着，根据流道网格模型中的网格数量将多套流道网格模型从大到小进行排序，然后按照从大到小排序依次对各相邻两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果进行比较：
若当前相邻两套流道网格模型计算获得的流量系数和阻力系数结果中，前者相对于后者的差距在±2％以内，则选取网格数量较少的一套流道网格模型进行下一相邻两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果比较；
若当前相邻两套流道网格模型计算获得的流量系数和阻力系数结果中，前者相比后者的差距不在±2％以内，则不再按照排序进行后续相邻两套流道网格模型的比较，并且在前者排序前面增设一套流道网格模型，该套流道网格模型的网络数量为前者的两倍，再进行相邻两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果比较，并且不断重复步骤直到保留得到一套流道网格模型。
本实施例的网格无关性验证结果如表1所示：
表1：网格无关性验证结果
| 序号 | 网格数(万) | 流量系数 | 阻力系数 |
| 1 | 50 | 0.758454565 | 0.835221521 |
| 2 | 100 | 0.845468776 | 0.854987645 |
| 3 | 150 | 0.830555556 | 0.855943287 |
| 4 | 200 | 0.829851426 | 0.855945986 |
| 5 | 250 | 0.830567945 | 0.856021581 |
从表一可知，网格数为150万和200万的本案例选择网格数为150万的流道网格模型对应流道的流量系数和阻力系数差距在±2％以内，所以选择网格数为150万的流道网格模型进行下一步计算。
步骤三：数值模拟计算
采用ANSYS-FLUENT软件对步骤二获得的流道网格模型进行数值模拟计算，将流道网格模型导入ANSYS-FLUENT软件中进行数值模拟计算。
3.1定义求解器
求解器类型采用压力求解器，在时间类型上采用稳态计算方式，求解器的速度方程采用绝对速度处理，求解器中设置环境压力为大气环境压力，根据实际重力方向设置重力加速度方向。
3.2选择计算模型
采用realizable k-ε湍流模型作为计算模型进行模拟，ANSYS-FLUENT软件中自带材料数据库，根据管道阀门的实际情况选用对应的材料(本实施例的材料为水)。
本实施例的realizable k-ε模型在当介质是不可压缩流体时表示为：
式中：k为湍动能，k通过公式推导得来。ε为湍流耗散率，ρ为流体的密度，k为湍流产生的湍动能，t为时间，ui和uj为速度分量，xi和xj为单位质量的瞬时坐标，μ为分子粘度，μt湍流粘度，Gk为层流产生的湍动能，εk为层流耗散率，ε为湍流耗散率，ν为运动粘度，E＝9.793(壁面方程常数)，一般情况常数C1＝1.44，C2＝1.9，σk＝1.0，σe＝1.2。
3.3设置边界条件
进口采用压力进口，出口采用压力出口，进出口压力根据实际不加降噪基本结构的进出口压力进行设定，根据管道阀门的实际工作环境设定进出口温度值，进出口温度值以外的其余边界均设为无滑移边界条件。
本实施例设置进口压力为0.1Mpa，出口压力为0Mpa，温度为300k。
3.4设置求解方法
求解方法选择SIMPLE算法，SIMPLE算法中的梯度离散方式采用基于单元体的最小二乘法，SIMPLE算法中的压力、动量、能量离散方式均采用二阶迎风格式，SIMPLE算法中的间歇因子采用二阶迎风格式，SIMPLE算法的初始条件设置为全局初始化。
3.5求解设置
设置迭代步数为5000，并将求解残差均设为10-4。
步骤四：分析调整
采用ANSYS-FLUENT软件的后处理模块进行流场分析，分别截取水平截面的总压云图和速度云图，进而通过总压云图和速度云图可视化分析后对初始降噪模型进行调整获得最后的降噪模型。
4.1压力分析
在后处理模块中调出压力的等值线对话框，在等值线对话框中选择压力，做出水平截面的总压云图；然后根据总压云图中的压力分布情况，进行更改降噪模型形状、增加引流辅助结构和增加局部流通面积的处理。
本实施例做法为：
当总压云图出现不同色度的色块时，说明出现了高压区。可更改降噪模型中高压区对应的降噪模型形状(如圆形改为多边形、梭形等)或在降噪模型中增加高压区对应降噪模型的流通面积，也可在高压区增加引流板。
图7是本案例水平截面的总压云图，图中标注处出现不同色度的色块，为两个高压区，所以通过增加降噪模型的圆孔孔径大小，从而增大降噪模型的流通面积，降低局部压力。图8为改进降噪模型后的总压云图，可发现高压区面积减小。
4.2速度分析
在后处理模块中调出速度的等值线对话框，在等值线对话框中选择速度，做出水平截面的速度云图；然后按照以下方式判断处理：
当出现速度分布较乱区和局部高速区二者中的一种时，速度云图中红色区域作为局部高速区，速度云图中在降噪模型附近区域中存在至少两种不同颜色的区域认为速度分布较乱区，增设整流环/整流板在降噪模型沿流体前进方向一侧的管道内，并且整流环/整流板与降噪模型之间的距离保持在0.5管径范围内。
图9是本案例水平截面的速度云图，从图中可得中部速度较为紊乱，所以在中部加整流板，图10为改进降噪模型后的速度云图，可发现中部的速度紊乱区消失。
具体实施中，最后提取噪声值来进行反馈结构指标，以内流场产生的噪声分贝为选取依据。
采用ANSYS-FLUENT软件提取计算流道网格模型的最大噪声值：在计算模型中打开宽频噪声模型，在噪声模型的等值线对话框中选择噪声，表面选择整个流域，分析整个流道的噪声分布并提取最大噪声值，结果如表2所示。
表2：流道最大噪声值
| 流道模型 | 最大噪声值(dB) |
| 原始模型 | 75 |
| 改进模型 | 67 |
根据提取的最大噪声值，选择噪声值较小的流道网格模型对应的降噪模型进行进一步优化调整改进，得到更理想噪声值的降噪模型。
Claims (7)
1.一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：方法步骤如下：
步骤一：建立模型
先建立阀门模型、初始降噪模型，然后根据阀门模型、初始降噪模型进行流体域的抽取获得流道模型；
步骤二：计算前处理
2.1网格划分
对流道模型进行网格划分，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型；
2.2网格无关性验证
将流道网格模型计算模型中流道的流量系数和阻力系数，进行两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果进行比较，保留获得仅一套流道网格模型；
步骤三：数值模拟计算
采用ANSYS-FLUENT软件对步骤二获得的流道网格模型进行数值模拟计算，将流道网格模型导入ANSYS-FLUENT软件中进行数值模拟计算；
步骤四：分析调整
采用ANSYS-FLUENT软件的后处理模块进行流场分析，分别截取水平截面、竖直截面的总压云图和速度云图，进而通过总压云图和速度云图可视化分析后对初始降噪模型进行调整获得最后的降噪模型。
2.根据权利要求1所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤一的建立模型具体为：
1.1建立管道模型
管道上安放阀门，根据实际管道结构对管道上的阀门进行三维建模，获得阀门模型；
1.2建立降噪模型
根据设计要求初步建立降噪基本结构，将初始降噪模型配合安放于阀门附近的管道，对初始降噪模型进行建模获得初始降噪模型；
1.3建立流体域
在阀门之前选取长度5倍于管径的管道，在阀门之后选取长度10倍于管径的管道，根据选取的管道进行流体域的抽取，作为流道模型。
3.根据权利要求1所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤2.1的网格划分中，网格类型采用非结构网格，调整网格质量到0.3以上。
4.根据权利要求1所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤2.2具体如下：
S1：将流道网格模型计算模型中流道的流量系数和阻力系数，根据流道网格模型中的网格数量将多套流道网格模型从大到小进行排序，然后按照从大到小排序依次对各相邻两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果进行比较：
S2：若当前相邻两套流道网格模型计算获得的流量系数和阻力系数结果中，前者相对于后者的差距在±2％以内，则进行步骤S3；
若当前相邻两套流道网格模型计算获得的流量系数和阻力系数结果中，前者相比后者的差距不在±2％以内，则进行步骤S4；
S3：选取网格数量较少的一套流道网格模型，再以回到步骤S2方式进行下一相邻两套流道网格模型的流量系数和阻力系数结果比较；
S4：不再按照排序进行后续相邻两套流道网格模型的比较，并且在前者排序前面增设一套流道网格模型，该套流道网格模型的网络数量为前者的两倍，再将前者和新增的流道网格模型作为相邻两套流道网格模型按照回到步骤S2方式进行流量系数和阻力系数结果比较；
不断重复上述步骤S2～S4直到保留得到一套流道网格模型。
5.根据权利要求1所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤三的数值模拟计算具体为：
3.1定义求解器
求解器类型采用压力求解器，在时间类型上采用稳态计算方式，求解器的速度方程采用绝对速度处理，求解器中设置环境压力为大气环境压力，根据实际重力方向设置重力加速度方向；
3.2选择计算模型
采用realizable k-ε湍流模型作为计算模型进行模拟，根据管道阀门的实际情况选用对应的材料；
3.3设置边界条件
进口采用压力进口，出口采用压力出口，进出口压力根据实际不加降噪基本结构的进出口压力进行设定，根据管道阀门的实际工作环境设定进出口温度值，进出口温度值以外的其余边界均设为无滑移边界条件；
3.4设置求解方法
求解方法选择SIMPLE算法，SIMPLE算法中的梯度离散方式采用基于单元体的最小二乘法，SIMPLE算法中的压力、动量、能量离散方式均采用二阶迎风格式，SIMPLE算法中的间歇因子采用二阶迎风格式，SIMPLE算法的初始条件设置为全局初始化；
3.5求解设置
设置迭代步数和求解残差。
6.根据权利要求1所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤四具体为：
4.1压力分析
在后处理模块中调出压力的等值线对话框，在等值线对话框中选择压力，做出水平截面的总压云图；然后根据总压云图中的压力分布情况，进行更改降噪模型形状、增加引流板和增加局部流通面积的处理，具体措施为：
当总压云图中降噪模型对应的区域出现高压区情况下，高压区为总压云图出现不同色度的色块所在区域，则更改降噪模型中的高压区对应的降噪模型形状或在降噪模型中增加高压区对应降噪模型的流通面积，也可在高压区增加引流板。
4.2速度分析
在后处理模块中调出速度的等值线对话框，在等值线对话框中选择速度，做出水平截面的速度云图；然后按照以下方式判断处理：
当出现速度分布较乱区和局部高速区二者中的一种时，增设整流环/整流板在降噪模型沿流体前进方向一侧的管道内，并且整流环/整流板与降噪模型之间的距离保持在0.5管径范围内。
7.根据权利要求6所述的一种管道阀门降噪模型设计构建方法，其特征在于：
所述步骤4.2中，局部高速区为速度云图中的红色区域，速度分布较乱区为速度云图中在降噪模型附近区域中存在至少三种颜色的区域。
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