低噪声迷宫式控制阀设计原理及数值分析

何 涛，王秋波，王锁泉，吴有生

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082）

低噪声迷宫式控制阀设计原理及数值分析

何 涛1，2，王秋波1，2，王锁泉1，2，吴有生1，2

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082）

在舰船水管路系统中，采用控制阀进行管路系统阻力匹配设计并实现低噪声配置。控制阀在水力激励下形成振动噪声并通过管路传递形成船外辐射噪声。为降低管路系统振动及船外辐射噪声，有必要进行低噪声控制阀的设计研制。该文提出了控制阀水力及声学设计方法，采用流体动力学数值方法进行了低噪声控制阀原理分析，验证了分流、多级和迷宫拐角式低噪声设计原理。基于低噪声设计原理设计了包含上层穿孔、中层多迷宫流道和下层少迷宫流道三部分重叠形成的阀套流通结构的分层迷宫式控制阀。阀内流场分析结果显示：阀套出流不均匀形成高速低压区域，易发生空化增大噪声；阀套腔体和阀套沿出流方向出口处形成大尺度漩涡结构，为主要噪声源区域。

控制阀；流体动力学；噪声；设计原理

0 引 言

节流阀等节流元件作为管道系统流体输运的调节元件被广泛应用于舰船工程、给排水工程、核电工业、能源运输工业、化学工业、城市高层建筑工程等领域。在舰船管路系统中，需要采用控制阀进行管路系统阻力匹配设计并实现低噪声配置。冷却水等管路系统长期开启，处于一定开度及阻力特性的控制阀在水力激励下形成振动噪声，一方面振动疲劳及冲击将引发管路破裂失效，另一方面噪声影响生活工作环境。因此，对管路阀门等节流元件进行低噪声设计具有重要的工程背景及经济意义[1-2]。目前在舰船声隐身领域中，在对动力机械装置采取了有效的减振降噪措施后，仍然存在较大的振动噪声，冷却管路系统振动噪声凸显，这部分振动噪声来源于：一、水泵等动力机械装置振动噪声沿管路系统传递；二、管路各类阀门等阻力元件引起的附加振动噪声。试验结果显示，起管路流量调节的节流阀振动噪声显著，其流体激励及其引发的振动噪声不低于水泵等动力设备，而且具有低频宽带的噪声谱特性，难以控制并消除。因此，对管路阀门等节流元件进行低噪声设计具有重要的军事意义[3-5]。

国内外学者在对管道噪声进行大量试验研究工作的基础上，开始针对节流装置的振动噪声特性进行研究。Prek[6-7]和Baumann[8-9]在大量试验数据基础上回归了控制阀噪声工程计算公式。Testud[10]和Mao Qing[11-12]采用理论和试验方法研究了节流孔板和控制阀等阻力元件流体脉动压力时空特性及其引起的管系振动响应。Guillermo Palau-Salvador[13]和石娟[14]进行了普通单节流口控制阀三维内流场流体动力学计算，分析了结构参数及启闭阀芯对流体脉动及空化特性影响。综上所示，目前的试验和计算分析仍针对节流孔板或普通单节流口控制阀，而未能从声学角度考虑进行控制阀的低噪声设计。

国外CCI、FISHER、VALTEK[15]等知名控制阀生产企业对控制阀振动噪声产生的机理进行了阐述，总结了降低节流装置振动噪声的主要设计原理，提出了迷宫拐角式低噪声设计结构。低噪声设计的基本原理是通过多级或多通道的节流，防止流动状态的剧烈变化，产生空化或激波。国内也进行了迷宫式控制阀的设计和成功应用[16-17]。虽然工程实践证实了迷宫式控制阀低噪声设计是有效的，但是由于未能通过理论方法进行阀内精细流动结构分析，仍无法归纳迷宫结构参数对声学性能影响规律，不能进行低噪声阀门的优化设计。

本文提出了控制阀水力及声学设计方法，采用流体动力学方法进行了低噪声控制阀原理分析，验证了迷宫式低噪声设计原理；基于低噪声设计原理设计了分层迷宫式控制阀，进行了控制阀内流场流动特性分析。

1 数值方法简介

控制阀水力性能与振动噪声特性相关，需要采用流体动力学计算方法计算控制阀内流场并分析低噪声设计原理。以下简要介绍本文所采用的流场定常及非定常计算方法。

对于不可压缩的粘性流动，在笛卡尔坐标系下，采用张量的形式表示的时均连续性方程和RANS方程可以写为：

式中：ui为速度分量的时均值，ui′为速度分量的脉动值为速度分量乘积的时间平均值，Si为源项。μ为流体的动力粘性系数。

针对本文所涉及的问题，控制阀内稳态定常流场仿真采用基于k-ω模型的SST湍流模型，它解决了湍流剪切应力的传输问题，同时又对逆压梯度下产生的分离流具有较高精度的预测，基本方程如下：

式中：Pk表示湍流的生产率，其他参量的具体表达式这里不再列出。

在稳态平均流方法的计算基础上，采用大涡模拟LES方法进行控制阀内非定常稳态仿真。LES的基本思想是认为湍流是由不同尺度的漩涡组成，通过滤波函数把流场瞬时变量分为大尺度涡运动和小尺度涡运动。大尺度涡通过直接求解瞬态N-S方程模拟，不模拟小尺度涡，小尺度涡对大尺度涡的影响采用亚格子模型模拟。基于瞬时N-S方程和连续方程在滤波函数处理后得到大涡模拟的控制方程：

式中：σij为分子粘性引起的应力张量，为亚格子尺度应力，体现小尺度涡对运动方程的影响。τij是方程右端的不封闭项，需要用亚格子模型封闭，本文采用S-L涡粘模式。

在数值格式方面，压力与速度的耦合使用PISO方法，对流项使用二阶迎风格式来离散，控制方程中的扩散项使用二阶精度的中心差分格式离散，湍流各项均采用二阶迎风差分格式，时间项采用有界二阶精度的中心差分格式。根据控制阀内流场特点，设置入口速度和自由出流边界条件。

2 低噪声节流元件设计原理

2.1 水力学设计原理

在一般情况下，控制阀节流过程（形成压力损耗的过程）可归结为在这种装置的局部流阻上损耗能量，为此主要采用三种方法：结构法、粘滞法和射流法。

（1）结构法（或构造法）是通过阀件通流部分的结构特点（突然扩张、转弯、阻碍等）使工作液体流受结构改变而损耗能量，迷宫流道即为此类。假若采用多级拐角迷宫的结构法进行降压，那么假设迷宫内最大流速为UDmax，平均流速为UD，那么可假设通过n1个迷宫拐角就得到以下压降：

式中：ζ1即为拐角损失系数。

（2）粘滞法就是使工作液体与节流阀件通流部分的壁产生粘性摩擦而损耗能量。沿流向细缝即为此类。假若采用细长流道的粘滞法进行降压，那么假设细流道内流速为UD，孔水力直径为Dg，那么流体流经长度为L的细流道得到以下压降：

式中：ζ2即为细流道损失系数。

（3）射流法是扩展或者紧缩情况下，流动速度骤变引起的阻力损失。由于主流面积与节流面积存在较大差异，因此在流体进入节流口和流体流出节流口的两个过程中，都伴随着射流法压降损失，那么存在n2个流道截面变化情况下累积压降为：

式中：ζ3即为细流道损失系数，U0为主管内平均流速。

以上阐述了节流元件水力学设计原理，但由于损失系数ζ1、ζ2、ζ3为与雷诺数相关系数，需要建立相应的数据库或图谱才能更为便于节流元件阻力设计。在已知损失系数ζ1、ζ2、ζ3后，通过不同节流形状的串并联组合，基于电路原理，即可求解得到整体的阻力系数ζ，这也就是节流元件阻力的设计目标。

2.2 声学设计原理

为说明分割通流面积与拐角迷宫式降压的低噪声设计效果，下面建立简单的二维模型进行计算对比。如图1所示，model1为主流直径100mm直径，节流孔径20mm，孔长50mm的单一节流孔；model2为主流直径100mm，节流孔径10 mm，孔长50mm双节流孔，model3为主流直径100 mm，节流孔径4mm，孔长50mm的四节流孔；model4为主流直径100mm，节流孔径10mm，孔长50mm带迷宫拐角四节流孔。model1～model4几何是由数值试验确定的；实现的目标是model1与model2阻力系数相同，model3与model4阻力系数相同。设置入口速度3m/s，出口自然出流；皆沿流向取监测点P1～P6。

图1 低噪声节流元件设计原理验证模型Fig.1 Validationmodels on low noise design principle of control valves

采用CFD方法计算得到各模型流场中各监测点处脉动压力幅值如图2所示。由model1和model2对比可见，在相同阻力系数下，分割通流面积后下游流体压力脉动减小约10 dB，说明分割通流面积符合低噪声设计要求。由model3和model4对比可见，在相同阻力系数下，采用迷宫拐角保证了节流口较大通径，控制了出口流速，使得下游流体压力脉动降低了10 dB以上，说明迷宫流道符合低噪声设计要求。综上所示，数值计算结果说明了多级分流的迷宫流道型式具有低噪声设计效果。

图2 各模型场点脉动压力计算结果Fig.2 Pulsing pressure CFD results of field points of four numericalmodels

3 控制阀节流型式分析

3.1 不同节流型式控制阀模型

为进一步计算分析实际阀门结构形式下分割流体面积及采用迷宫拐角的低噪声效果及设计参数影响规律，设计了如图3所示的三种缝式、孔式和迷宫式节流阀套。三种阀套通流面积相同，迷宫式节流阀套每层每个小流道采用了4个拐角进行降压。下面对各型阀套水力性能以及与振动噪声相关的流动特性进行计算分析。

图3 控制阀体及不同节流型式Fig.3 Control valve body and different throttle trims

3.2 三种阀套开度/阻力特性

控制阀基本水力特性由阻力系数 ξ=ΔP/（ρU2/）

图4 三种阀套开度/阻力特性Fig.4 Relationship of hydro-resistance coefficients and openings of different throttle trims

3.3 相同阻力情况下流场特性对比

由图5可以看到，三种阀套相同阻力条件下开度并不相同。阻力系数情况一对应缝式、孔式和迷宫式阀门开度分别为30.8%、30.8%和69.2%；阻力系数情况二对应缝式、孔式和迷宫式阀门开度分别为38.5%、38.5%和84.6%；阻力系数情况三对应缝式、孔式和迷宫式阀门开度分别为46.2%、46.2%和100%。相同阻力条件下阀门内部流动状态各不相同，入流速度为3m/s时三种阻力调节下各阀门内流场中速度、涡量、湍动能等参数分布如下列图5～7所示，其速度、涡量和湍动能幅值列于表1。

图5 三种阀套阻力情况一下流场特性对比Fig.5 Flow dynamic characteristics of different throttle trims under resistance condition 1

图6 三种阀套阻力情况二下流场特性对比Fig.6 Flow dynamic characteristics of different throttle trims under resistance condition 2

图7 三种阀套阻力情况三下流场特性对比Fig.7 Flow dynamic characteristics of different throttle trims under resistance condition 3

表1 三种阀套及三种阻力对应开度下流动特性Tab.1 Flow dynam ic characteristics of three trims under different resistance conditions

由以上图表所示，在相同主管流动速度下，压降随着阀门开度减小而增加，流动不均匀变强，随着高速区/低压区增加、涡量和湍动能强度增加，振动噪声水平将显著提高；各相同阻力系数条件下，阀内流动速度、涡量强度和湍动能强度皆按缝式、孔式和迷宫式阀套依次递减。由于局部流速的降低使得空化不易发生，湍流结构的减弱使得流场脉动压力较小，因此迷宫式阀套低噪声性能最优。

4 分层迷宫式控制阀数值分析

4.1 分层迷宫式控制阀设计模型

基于分流、多级、迷宫流道等低噪声设计原理，完成了迷宫型式阀套的低噪声节流阀设计。为实现全开低阻和小开度流量微调的流动特性，设计了包含上层穿孔、中层多迷宫流道和下层少迷宫流道三部分重叠形成的流通结构的阀套型式，如图8所示。

图8 分层迷宫式控制阀Fig.8 Layered labyrinth control valve

4.2 计算网格模型

为分析控制阀内精细流动特性，对计算网格模型进行了以下考虑。计算区域分为阀体、入流腔体、出流、入流、入流延长段和出流延长段六部分组成，各部分网格分别包含600万混合四面体六面体网格、128万混合四面体六面体网格、88万六面体网格、67万六面体网格、43万六面体网格、43万六面体网格和49万六面体网格。整体网格模型包括1 018万四面体与六面体混合网格。为保证边界层求解精度，边界层网格进行了细划达到y+≈1；为保证计算精度并控制计算代价，阀内大部分区域采用结构化网格并对阀体各部分计算域连接处进行了网格细化。横截面网格及阀套附近加密网格如图9所示。边界条件设置入流流量为100 m3/h，自然出流。

4.3 流场特性分析

计算确定了此控制阀全开时流量系数Cv=0.026和阻力系数ξ=17.6。横截面湍动能分布与涡量分布如图10所示。从湍动能分布可看出，阀门入流远端湍动能远小于出流远端，而阀套腔体及阀套出流区域为湍动能集中区域。从涡量分布可看出，涡量集中于阀套附近，阀套流道的高流速不可避免地产生了高涡量。

图9 整体网格模型Fig.9 Total CFDmesh of control valve

图10 横截面湍流特性Fig.10 Turbulent characteristics on cross section of valve

图11 横截面流动特性Fig.11 Flow dynamic characteristics on cross section of valve

计算得到的阀门不同截面上压力和流速分布如图11～13所示。由压力分布图可以看出，从入流到阀套腔体内产生了一定压降，这是由于不光顺的入流形成的，但主要的压降仍然在阀套通流面积前后形成。阀套面向出口处产生低压区域，但其范围和程度并不大，这也说明了低噪声阀套在平稳降压，抑制低压区域形成，避免空化发生的有效性；后续的优化设计应集中在进一步减小此低压区域的大小和负压强度。

由速度矢量分布图可以看出，此阀门的入流和出流处几何特征直接影响入流和出流区域的流速分布。在入流边角处由于突起的存在，流动在这里转向并突然加速，在阀套腔体内形成了大的漩涡结构；弯曲出流处，流动塞积，流场分布很不均匀，形成了上部的高速区，并伴随着丰富的湍流结构，根据涡声理论，此出流区域出现的漩涡是阀门主要流噪声声源；由于阀套的三部分设计，上部穿孔面积大且阻力相对于中下部迷宫流道大，因此流速高，其出口直接冲刷阀体，形成了主要振动噪声源；后续的优化设计应为控制阀套腔体内大漩涡的形成，出流湍流集中区域的消涡处理、均匀阀套出流速度等三个方面。

图12 水平截面压力分布Fig.12 Pressure contours on horizontal sections of valve

图13 水平截面流速分布Fig.13 Velocity contours on horizontal sections of valve

图14为阀套横截面腔体背面和腔体出口方向节流流道内流速分布，盘片数目由上向下计数。由图14各图对比可知，阀套腔体出口方向流速明显高于腔体背面方向流速，上层穿孔盘面流速约为中层和下层迷宫盘面流速的两倍；上层穿孔盘片由于通流面积较大并且阻力较小，流速远高于中部和下部迷宫盘面流道流速。中层迷宫阀套与下次迷宫阀套由于在中间拐角处联通，实现了阻力匹配的效果，因此流动速度几乎相当，这是比较理想的状态，进一步的优化设计也可延续这一方式。

图15为阀套上、中、下三部分盘片水平面自沿腔体出口到沿腔体背面方向各节流流道内流速分布情况，流道数目由阀套腔体出口向阀套腔体背面方向计数。对比图15各子图可知，流速自阀套腔体出口方向到腔体背面方向流速逐渐减小，出口方向流量约为背面方向流速的两倍，较高的局部流速必然增加水动力噪声源强度；而沿阀体不均匀的流速分布将产生不均匀的流体激励，预计阀体结构三方向的集中流体激励力与力矩增大，下一步优化目标应为均匀阀套出流速度。

图15 阀套腔体背面及出口流道流速分布Fig.15 Flow velocity distribution on cross sections of trims

5 结 论

本文提出了控制阀水力及声学设计方法，采用计算流体方法进行了低噪声控制阀原理分析与迷宫式低噪声设计原理验证；基于低噪声设计原理进行了分层迷宫式控制阀设计与内流场流动特性分析，为进一步优化设计打下基础。得到的具体结论为：

（1）基于二维模型数值模型计算验证了分流、多级和迷宫拐角的控制阀低噪声设计原理；基于三维模型数值模型计算分析了不同阀套在不同开度下流动特性，结果表明不同阀套形式开度/阻力性能关系不同，在相同阻力性能下迷宫式阀套噪声性能优于缝式和孔式，进一步验证了低噪声设计原理。

（2）为实现全开低阻和小开度流量微调的流动特性，兼顾低噪声设计原理设计了包含上层穿孔、中层多迷宫流道和下层少迷宫流道三部分重叠形成的阀套流通结构的分层迷宫式控制阀。

（3）分层迷宫式控制阀由于入流和出流不光顺的结构特征，分别在阀套腔体和阀套沿出流方向出口处形成大尺度漩涡结构，将形成额外噪声源强度；后续应考虑导流消涡设计。

（4）分层迷宫式控制阀阀套上部穿孔结构、中部多流道迷宫结构和下部少流道迷宫结构沿上下和环向流动速度不均匀，使得阀套出流产生高速区域及低压区域，对于空化及振动噪声的产生都是不利的；后续应考虑设计出口速度更为均匀的阀套结构。

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Low noise design principle and numerical analysis on labyrinth control valves

HE Tao1,2,WANG Qiu-bo1,2,WANG Suo-quan1,2,WU You-sheng1,2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi214082,China)

Control valves are used in cooling systems to adjust pump working condition and balance flow volume rates for cooling users.Cooling systems are always running during the sail time and control valves vibration under fluid dynamic excitation and cause boat noise radiation.Therefore,the low noise control valves should be designed to control boat noise radiation.In this paper,the hydraulic and acoustic design methods are constituted.Low noise design principles of control valves such as dividing,multilevel,labyrinth turning are analyzed and verified based on CFD method.The layered labyrinth control valve is designed and analyzed numerically.The analysis results indicate that outflow of trim is uneven and local high speed and low pressure region exists,large eddies forming in valve body cavity and trim outflow regions aremajor noise sources.

control valve;computational fluid dynamics;noise;design principle

U664.5

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.001

2016-11-05

江苏省自然科学基金—青年基金资助项目（BK2012096）；工信部—第七代超深水钻井平台（船）创新专项；工信部—深水半潜式支持平台研发专项

何 涛（1983-），男，高级工程师；王秋波（1987-），男，工程师。

1007-7294（2017）02-0127-11