调节阀噪声分析与气穴研究

　　以套筒式调节阀为研究对象，通过流体动力学知识和噪声理论对其内部流场进行分析，得到套筒式调节阀产生振动的原因，并找出了调节阀内流道中产生气穴现象的位置。通过CFD数值模拟，计算出在某一开度下调节阀的速度矢量图，并与理论分析的气穴现象进行对比分析。该理论分析和CFD技术的采用，使得低噪声、高性能的套筒式调节阀的设计周期更短，成本更低，效果更好。

　　调节阀是由执行机构和阀门部件2部分组成。执行机构是调节阀的驱动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动阀芯动作;阀门部件是调节阀的调节部分，直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的，同时它也是噪声的主要发生源。

　　套筒式调节阀是一种特殊的调节阀，典型的结构如图1所示。其阀体与直通单座式阀体相似，但阀内有1个圆形套筒，套筒四周有不同形状的开口，要根据流通能力大小来设计窗口的数量。利用套筒导向，阀芯可以在套筒中上、下移动，并实现流量调节。由于套筒调节阀采用平衡型的阀芯结构;因此不平衡力小、稳定性好、不易振荡，从而很大程度上改善了原有阀芯容易损坏的现象。

　　噪声污染已经成为世界公认的4大污染源之一，各国都投入巨资治理噪声，人们对噪声控制提出了更高的要求。调节阀常常是管路系统中的噪声源，当压力降到一定临界值时，容易引起气穴、气蚀现象，并伴有流体噪声和振动。调节阀流道结构是影响调节阀产生噪声的关键因素;因此，对调节阀结构的研究是很有必要的。

图1 套筒式调节阀

1、调节阀噪声产生的原因

　　1.1、机械振动产生噪声

　　调节阀产生的机械噪声主要来自阀芯、阀杆和一些可以活动的零件，主要原因是受介质压力波动的影响或者介质的冲击，还有就是由于调节套筒外圆和阀体导向装置之间有较大的间隙。机械振动会引发刚性碰撞，产生的声音是金属响声和敲击声，噪声幅值的大小由碰撞的能量、振动体的质量、阻尼、刚度等决定，这种振动频率一般<1500Hz。

　　1.2、气体动力产生的噪声

　　当气体介质经过调节阀的节流孔时，会产生气体动力噪声，多为一种漩涡脱离声。通过大量研究表明，当气体流速比声音速度低时，噪声主要是因为强烈的扰流产生的;当气体流速比声音速度大时，介质就会产生冲击波，此时噪声会急剧增加。一般情况下，可压缩介质流经调节阀产生的噪声是最严重的。

　　1.3、液体动力产生的噪声

　　当液体介质经过调节阀的节流孔时，会产生液体动力噪声。当液体经过节流口时，由于节流口面积的急剧变化，流通面积缩小，流速升高，压力下降，易产生阻塞流，产生闪蒸和空化。一般情况下，当节流口前后压差不大时，调节阀噪声很小，可以不考虑噪声问题;但当节流口两侧压差过大时，就会有闪蒸现象产生，从而存在气、液两相流，两相介质的减速和膨胀作用自然形成了噪声。开始出现空化的点即称为临界点，此时调节阀的压差为Δpc(开始空化时调节阀压差)，完全达到空化时的压差为ΔpT。

　　流体流动噪声(Δp≤Δpc)：

　　初始空化噪声(Δpc<Δp<ΔpT)：

　　完全空化噪声(Δp>ΔpT，且p2>pv)：

　　式中，LP是介质动力噪声的声压级，以调节阀下游1m，并离管道1m处测量，单位为dB(A);KV是特定流量下的流量系数;Kc是初始空化系数;FL是液体压力恢复系数;H是管道壁厚;Δp是调节阀前后压差;pv是液体饱和蒸汽压;p1是阀前压力;p2是阀后压力。

　　可以看出，压差和流速对噪声的影响最大。速度越高，压差越大，噪声也就越大。当然，流量系数、直径、壁厚、温度等因素都会对噪声产生影响。

2、数值模拟

　　2.1、流道建模与网格划分

　　计算模型采用图1所示的套筒式调节阀，通过三维建模软件UG建立调节阀简化结构，进出口直径都为80mm，套筒窗口尺寸按设计计算值。进行仿真分析前，要对流体部分进行网格划分，通过布尔运算得到调节阀在不同开度下的三维流道图，并保存成.step格式。通过ICEM进行网格划分，计算网格数为30万个。

　　2.2、Fluent采用的设置

　　将.msh文件导入Fluent，设置后进行计算。本算例湍流模型采用标准的K-ε模型，离散方程的求解方法采用非结构网格上的SIMPLE算法，速度压力场采用隐式的全场迭代解法，边界条件规定进口总压力与出口压力。设定好上述求解控制方程后，即可求得不同开度的阀芯模型。

　　2.3、仿真结果分析

　　仿真结果如图2所示。可以看出，流体经过节流口A时，流速突然增大，压力迅速降低，在节流口附近出现了很低的负压，当压力降到一定程度时，随之而来的是闪蒸、空化现象。这一现象从图3所示的调节阀某一开度下的速度云图也可以得到验证。因此，要改进结构，尽量提高负压值，减小负压区域，才能够降低噪声。阀芯拐角处出现了大的压力降，此处产生漩涡区并造成能量损失，减小能量利用率。

图2 调节阀计算流线图

图3 调节阀计算速度云图

3、调节阀噪声降低的方法

　　要从根本上消除调节阀的噪声，就应该从声源来进行处理，设计机构新颖的低噪声阀芯，在产生噪声的地方，把流速和压差降下来。通常采用如下2种方法。

　　1)设计迂回通路。在阀芯节流处设计隔开的、细小的迂回通路，这种流路由于介质和边界层的湍流切应力作用，形成黏性应力，使压力降的百分数比最大化。

　　2)采用阶梯式阀芯结构。设计多级阶梯式阀芯结构，当介质流过特殊的阀芯和阀座，使介质密度变化，压力降低，减缓了介质流速。这种方法尤其适用于液体易于产生空化的场合。

4、结语

　　通过调节阀的噪声预估计算公式的分析，找到了调节阀产生噪声的原因;同时，通过CFD技术对调节阀内部流场进行可视化仿真模拟，找到了噪声源，并认为介质在经过节流口时，由于流速、压降增大，空化和闪蒸现象极易产生，噪声会明显增加。本文提供了降低调节阀噪声的2种方法，为今后设计高性能、低噪声的调节阀提供了有效的思路。