基于大涡模拟的通海阀噪声分析

桂瞬丰，幸福堂，李群燕

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081)

基于大涡模拟的通海阀噪声分析

桂瞬丰，幸福堂，李群燕

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081)

基于大涡模拟方法，采用CFX软件对某型通海阀的噪声进行数值模拟分析。选择大涡模拟中的WALE亚格子模型，运用前处理软件ICEM对通海阀三维模型进行网格划分，根据大涡模拟要求和实际使用情况设置边界条件。计算结果表明，通海阀低频噪声声能较大，高频部分所占比重较小，这与实际相符，验证了数值计算的准确性；相对于工业企业环境噪声标准，该阀门噪声的声压级略偏大。

通海阀；噪声；大涡模拟；Lighthill声理论；CFX

海水管路系统所产生的噪声是船舶噪声的重要组成部分，而管路系统中的阀门又是一个不容忽视的噪声污染源。阀门噪声沿管路传播，构成线状声源，衰减较慢，传播距离远，影响范围大，是目前噪声控制研究领域的一项难题。

随着计算机技术的迅速发展，通过求解非稳态流体的控制方程预测噪声源以及噪声传播成为可能。研究人员不用耗时费力来建立物理模型，只需通过系统仿真软件就能快速评估不同设计方案对湍流噪声的影响[1-2]。CFX软件是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧等问题。CFX具有物理模型丰富、功能强大、故障少、精度高、可扩展等优点，故本文选用CFX软件近场声场模型对海水管路系统中的通海阀噪声进行分析研究。

1 数学模型

1.1 流噪声理论

研究表明，空气在低马赫数情况下可以视为和水一样的不可压缩流体，低马赫数情况下的气动声学方法也可应用在水动力声学分析上[3]。流体流动噪声的生成和传播可通过求解N-S方程[4](式(1))进行研究。而直接求解N-S方程很困难，需要两个不同的求解器分别求解线性噪声和非线性噪声部分[5]。Lighthill方程弥补了这个缺陷，其对声音的产生与传播分别进行求解，但只能用于求解固体边界不起作用的场合。对Lighthill方程改进后，得到考虑运动固体界面的FW-H方程，如式(2)所示。

(1)

(2)

1.2 湍流模型

湍流过程的复杂性和工程计算的多层次决定了湍流模型的多样性，阀门流场分析中湍流模型的选择直接影响到流场求解的精度。本文选用大涡模拟(large eddy simulation，LES)模型。LES通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解[6]。过滤尺度一般就取为网格尺寸。这种方法比直接求解RANS方程和DNS方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比一般湍流模型方法更精确[7]。滤波后，N-S方程(式(1))变为：

(3)

CFX提供了3种亚格子涡模型：WALE 模型、Smagorinsky模型、Smagorinsky-Lilly模型。WALE模型是一种类似于Smagorinsky模型的代数模型，但是它克服了Smagorinsky模型的一些缺陷；WALE模型使壁面层流区几乎不产生涡黏并且能够使层流到紊流过渡再现，而且它能够得到近似于亚格子黏度的壁面距离参数y+三次方的变量，不需要阻尼函数。 Smagorinsky-Lilly模型也克服了Smagorinsky模型的一些缺陷，但计算需要显式二阶过滤，耗时超过代数模型。因此本文模拟选择WALE模型。

1.3 计算模型及网格划分

某公司研发的通海阀三维模型如图1所示，因为只分析流噪声，故抽取内流道后得到如图2所示的模型。

通海阀类型为直角式，直径D=30 mm。为了使模拟时阀门内部完全处于流动状态，进、出口管各延长5D(150 mm)。LES对计算模型的网格精细程度要求很高，所以网格划分比较密。由于六面体网格划分比较复杂，且六面体网格各向同性劣于四面体网格，所以本文采用非结构四面体网格。运用前处理软件ICEM进行网格划分，有关网格信息如下：全局网格尺寸为4 mm；进口、出口网格尺寸为1 mm；边界层共6层，初始高度为0.1 mm，增长率为20%；壁面整体网格大小为1 mm，考虑到平滑过渡,局部网格设为0.5 mm。整个计算模型的节点总数为653 849，网格总数为1 764 432。

1.4 求解设定

根据大涡模拟的要求，平均CFL(Courant number)值要在0.5～1之间。CFL按式(4)计算，边界层网格尺寸按式(5)进行判定。

(4)

(5)

大涡模拟下，y+不能太大。当网格尺寸确定后，可依据式(4)反求出时间步长，最后得到具体数值模拟条件如下：①瞬态模拟的时间步长Δt=2×10-4s，总时长1.2 s；②流体域设置为WALE模型，参考压力为0，初始速度3 m/s，初始压力3 MPa；③进口为速度进口，速度为3 m/s，出口为压力出口，相对压力为3 MPa；④壁面为无滑移壁面，表面光滑；⑤离散格式为中央差分格式，残差标准为1×10-4；⑥内存分配系数为1.2，选择变量输出，输出时间间隔为4Δt。

2 结果与分析

2.1 网格分析

图3是流体域内CFL值分布云图，从图3可以看出，CFL值的范围为0.0108～30.81，其中大部分取值在0.0108～3.09之间。通过求解可得整个流体域的平均CFL为0.534，满足大涡模拟要求。

图4是y+值分布云图，从图4可以看出，y+取值范围为0～40，除了在壁面接口处稍微偏大外，其余部位的y+平均值为20，满足计算要求。

LES过滤尺度一般取为网格尺寸。网格尺寸越小，能够过滤的尺寸就越小，模拟精确度就越高，当然计算量更大。图5为模拟时刻t不同时的涡旋图。从图5中可以看出，刚开始时，由于水还没有完全充满阀门，只产生少量的涡(图5(a)、图5(b))；随着时间的推移，水到达阀门后继续流向出口，涡基本充满整个管道(图5(c)),最后涡完全充满整个管道(图5(d))。图5(a)与图5(b)截取时的时间间隔短，准确捕捉到了涡从阀门接头向外迁移的过程，同时也验证了网格精度满足要求。另外，在图5(c)和图5(d)中，受进口流速的影响，进口端没有涡产生，这也是为了使涡充满阀门必须加长管道的原因。

图5 不同时刻的涡旋分布

Fig.5 Vortex distribution at different points of time

2.2 噪声分析

通海阀噪声的产生归根到底是由于压力的脉动，因此为了分析管路压力变化情况，选取4个监测点(见图6)，包括阀门处两个和进出口处各一个，其压力波动见图7。

从图7中可以看出，4个监测点处都产生了脉动压力，但压力大小不同。阀门主体空腔(监测点1)内压力波动最大，阀门柱塞段(监测点2)的压力波动小于阀门主腔处，这是因为阀门柱塞段部位不容易产生剧烈湍动，旋涡少。管路出口与外部相连，所以该处压力波动最小。

利用声学相关公式(式(6)～式(8))通过快速傅里叶变换，将压力波动转换为声音-频率信号。

功率谱密度：

(6)

幅度：

(7)

声压级：

(8)

式中：f0、fn为频率函数；、为傅里叶函数；p′(fn)为声压，取管路的脉动压力；pref为参考压力，对于水pref=1×10-6Pa。4个监测点的相关计算结果见图8～图10。

流噪声是宽频噪声，但受到取样条件限制，得到的只是一部分频率。在采样间隔为4倍时间步长的情况下，得到的噪声最大频率为1251Hz左右。因为人耳可以听到20～20 000 Hz的音频信号，对1000～8000 Hz的声音敏感，故选取大于20 Hz的采样数据进行计算。由图8和图9可见，4个监测点的功率谱密度和压力在20～240 Hz之间较大，随着频率的增大，其值急剧降低。这表明通海阀噪声中高频声能量所占比重很小。而在实际中，流噪声多呈低频性[8]，这也验证了结果的准确性。

由图10可见，声压级最大值超过160 dB，随着频率增大，声压级有下降的趋势，但最小也有40 dB。低频段，声压级下降幅度较大；在700～1200 Hz之间，声压级稳定在80～100 dB；超过1200 Hz后，声压级迅速降至40 dB左右。与工业企业环境噪声不超过85 dB的要求相比，通海阀噪声的平均声压级偏高。4个监测点的声压级接近，可能是由于通海阀几何尺寸太小(直径为30 mm,总管长为300 mm)而不足以影响声压级的变化。

3 结语

通过对通海阀噪声的数值模拟，得到以下结论：①通海阀模型的网格划分精度满足大涡模拟的要求，保证了后续数值计算的准确性；②4个监测点处的脉动压力大小不等，但声压级却相差不大；③通海阀噪声中，低频声能量所占比重较大，高频声能量所占比重很小；④相对于工作环境噪声标准，通海阀噪声的声压级偏大。在允许的条件下，可以通过减小工作压力从而降低脉动压力的方法来改善噪声源。另外在通海阀外部安置隔音装置也可以减少噪音污染。

现有采用计算流体动力学软件进行噪声模拟的研究中，大多数针对的都是工作压力较小的对象，因而不考虑振动噪声，这在误差允许范围内是可行的。而当工作压力加大时，机械振动增强，如果不考虑振动噪声，计算误差就会很大。此次模拟的工作压力为3 MPa，机械振动噪声相对于流致噪声是否可以忽略还有待进一步考证。另外，受数值方法所限，CFX软件只能用于近场噪声模拟，因此本文只能模拟声源声场，阀外远声场噪声的模拟需将瞬态压力场数据导入商业声学软件进一步分析。

[1] 汪怡平，谷正气，李伟平，等．汽车气动噪声数值计算分析[J]．汽车工程，2009,31(4)：385-388.

[2] 杨宇．汽车气动噪声的数值模拟分析[J]．天津汽车，2008(3)：36-37．

[3] Zhang Yongou，Zhang Tao，Ouyang Huajiang，et al. Flow-induced noise analysis for 3D trash rack based on LES/Lighthill hybrid method[J]．Applied Acoustics, 2014,79:141-152．

[4] 高学平．高等流体力学[M]．天津：天津大学出版社，2005：20-21．

[5] Purohit A, Darpe A K , Singh S P.A study on aerodynamic sound from an externally excited flexible structure in flow[J].Computers & Fluids, 2014,103:100-115．

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[7] 张晓龙，张楠，吴宝山. 壁面涡旋结构与湍流脉动压力的大涡模拟研究[J].船舶力学，2014,18(8):871-881．

[8] 夏艳阳，高铭．水泵房环境低频噪声影响及防治初探[J]．环境科学与管理，2010,35(7):130-131,137．

[责任编辑 尚 晶]

Noise analysis of a sea suction valve based on LES

GuiShunfeng，XingFutang，LiQunyan

(College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

On the basis of large eddy simulation(LES), the numerical simulation and noise analysis of a sea suction valve was carried out by CFX software.WALE subgrid eddy viscosity model in LES was selected and pre-processing software ICEM was adopted in mesh generation for the 3D model of the sea suction valve. Boundary conditions were set according to the demands of LES and actual usage.Simulation results show that the sound energy of low frequency noise is larger and the high frequency noise accounts for a small proportion of the valve’s noise, which is consistent with the actual situation and verifies the accuracy of the numerical calculation. Compared to the noise standard for industrial enterprise environment, the sound pressure level of the valve’s noise is a little higher.

sea suction valve; noise; LES; Lighthill theory; CFX

2014-11-13

国家科技支撑计划项目(2010BAB05B02)；国家海军装备科研项目(40308).

桂瞬丰(1989-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail：gsfgxf@sina.com

幸福堂(1962-)，男，武汉科技大学教授.E-mail:xft@wust.edu.cn

U661.44

A

1674-3644(2015)02-0129-05