球阀气体内漏的声场数值模拟及实验研究

　　1 概述

　　球阀因关闭不严或由于磨损在内部会存在泄漏,微量的泄漏很难发现,其造成的危害不可小视。利用声方法检测内漏噪声是非常有效的一种手段〔1,2〕,但由于其内漏流道复杂,声场与流场相互作用,从理论上很难准确分析内漏噪声的特性。借助matlab的数据处理和显示功能实现了球阀内漏声场的数值模拟,更直观的表述了内漏噪声的产生机理与传播特性,同时分析了内漏度和压力差对内漏噪声的影响,模拟结果可对阀门气体内漏声学检测技术起到指导作用。采用声学检测仪对球阀的内漏噪声进行实验研究,与数值分析结果具有一致性,这些工作都为球阀内漏的声学检测奠定了基础。

　　2 气体喷流声场控制方程

　　在气体内漏过程中,喷柱流动不仅是主要声源,而且不均匀的气流还对声的传播、辐射等起到扰动作用〔3,4〕。因此,考虑喷流速度扰动对喷流噪声的影响,应用Lighthill方程,噪声可表示为

　　式中 ux、uy—喷柱扰动速度

　　p—气体压力

　　t—时间

　　c0—声速

　　x、y—喷柱扰动距离

　　3 计算方法及模型的建立

　　利用时域差分法,综合运用全反射和无反射二种边界条件,建立球阀气体内漏声场的数值模拟方法。图1为球阀气体内漏声场模拟的计算区域及边界条示意图。计算区域为24@70,时间步长S=0104,空间步长h= 011,声速c0=1,以上参数为无量纲值。实线表示球阀截流口处壁面的全反射边界,点划线表示远离截流口处的吸收边界。在两个截流口处分别施加高斯源压力脉动,声源强度可由流场模拟所得参数经公式计算获得。B为球体的通孔旋转角度与临界角之间的差值,称之为内漏度,用它代球阀不同的内漏状态。

　　4 选取声源及计算初始声压

　　4.1 选取声源

　　研究表明,四极子声源在喷流噪声中占主导地位〔3〕。本文选取四极子声作为球阀气体内漏喷流噪声源。当式(1)右侧声源项为四极子声源时,Lighthill采用量纲分析方法,求得了声源表面声压PS的计算公式

　　式中 PS—声源表面声压, Pa

　　D—喷口当量直径, mm

　　Q0—气体密度, kg/m3

　　U—喷柱速度, m/s

　　M—马赫数

　　KS—比例常数(取KS=010825)

　　4.2 计算初始声压

　　式(2)中的U和M是阀门气体内漏喷流流场的参量,考虑球阀截流处流道的复杂性,采用二维RNGk-E湍流模型,模拟球阀气体内漏流场。介质为空气,球阀入口压力p1=0118MPa,出口压力p2=011MPa,分别模拟球阀不同内漏度下的流场,得到对应的流场数值模拟结果。由式(2),计算得2处截流声源的初始声压(表1)。