闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟的探讨

杨连成 谢建国 杨杰

摘要：气体阀门对于整体系统运行稳定性与安全性都有直接的影响，闸阀气体内漏对于系统运行有着极为不良的影响，会提高设备故障和安全事故发生的概率，通过对闸阀气体内漏喷流声场进行数值模拟，能够对声场的特征以及运行具体情况进行掌握，为声学检测提供有价值的参考数据。因而本文就基于气动声学方程对多种开度情况下的闸阀气体内漏喷流声场进行数值模拟研究。

关键词：闸阀气体内漏;喷流声场;数值模拟

引言：当闸阀气体内漏问题形成之后，内漏期间气体喷流的过程具备明显的复杂性，气动噪声也会同步形成，通过对声场的数值模拟分析，来对噪声情况进行检测和分析，从而对阀门内漏情况加以判断、预估。阀门截流区域处于持续动态流动变化的状态，对于气体喷流声场各项特征的分析，需要利用数值模拟才能保证特征分析的准确性与可靠性，因此对其进行研究具有现实意义。

一、闸阀气体内漏喷流声场计算方程参数分析

阀门气体在产生内漏之后，噪声的形成是由于阀门水流以比较快的速度流动，形成湍流，在持续流动的过程中就会形成波动压力，噪声的形成来源比较多，其机理具有明显的复杂特性。当闸阀气体产生泄漏的过程中，流体的质量守恒与动量守恒依然保持的规律状态，如此对应描述流场噪音形成的气动力声方程就能够应用于闸阀气体内漏喷流声场的计算当中，需要获取的方程参数就有声压（p），以Pa为单位;还有均匀介质中的声速（c0），以m/s为单位;外加生源处理时的应力源（f）。在气体内漏产生之后，喷流是以喷射的方式形成柱体水流，流动的过程中会因辐射而产生噪音，气流的分布状态也处于不均匀的状态，就导致气流对声音传播与辐射产生相应的干扰影响，在进行计算时，还需要对喷流的速度参数对于喷流噪音的干扰作用进行同步考量。喷柱不同方位的扰动速度都需要进行考量，以ux、uy表示，单位为m/s。

二、闸阀气体内漏喷流声场的数值模拟研究

通过对闸阀气体内漏喷流声场进行数值模拟，能够对泄漏期間声场的运行状态进行模拟，从而对声场的一些代表性特征进行明确，由于阀门泄漏时，阀门在截流时，流质的流动状态具有较强的不确定性，比较复杂，若是应用正常的理论方法对气体喷流声场特点进行分析具有较大的难度，应用数值模拟进行分析具备可靠性，下面就对其数值模拟进行展开研究。

（一）计算方程精度强化处理

在进行方程计算时，在Lighthill气动声学方程的基础上，需要在此进行离散处理，应用变系数离散方程，以此提高二阶计算的精准度，以此就要对时间步长与空间步长进行明确和应用。

（二）数值模拟计算区域与边界条件

在进行数值模拟时，要对计算区域和边界条件进行清晰确定，本次数值模拟将计算区域设置为60乘40的矩形范围，时间步长取值为0.004，空间步长取值为0.01，将声速参数设置为1。关于边界条件，将闸阀的壁面设置为全反射边界，远离截流口位置有吸收边界，要将气体内漏喷流扰动速度，以速度函数的形式转换成离散方程变系数矩阵。

（三）声场当中声源与声压分析

当闸阀气体内漏时，声场内部的声源具备多样化与纷杂的特性，因此就可以认为声场当中的声源是由单极子、偶极子以及四极子声源来共同组合形成声场内的声源结构，其中四极子声源在内漏喷流噪声结构当中占据主体位置，因而就选择四极子声作为噪音的声源结构。对于声压（单位Pa）的分析，需要对喷口当量直径（D，单位米）、气体密度（ρ0，单位kg/m³）、喷柱速度（U，单位m/s）以及马赫数（M）这几个参数进行明确，还要应用对比例常熟Ks（0.0825）来与各项参数进行相乘，获得声源表面的声压数值[1]。

（四）声场初始状态的明确

在闸阀截流的位置，流质通道比较复杂，可以应用相应软件，来将工况设置成相同的状态，只将阀门的开度作为变量，对不同开度情况下的闸阀流场运行进行数值模拟，模拟之下，在一次截流的位置，需要获取喷柱速度、声源声压、喷柱速度和马赫数等参数。在第二次截流位置，需要获取马赫数、声源声压等参数

（五）声场模拟与结果

1.声场的影响因素

在闸阀气体内漏期间，气体的湍流流动和阀体壁面的影响作用下，内漏的噪声分布会呈现不同的状态，具备明显的复杂特性。内漏时，闸板与阀体的底面之间会构建扩压空间，第一次截流产生的噪声和第二次截流产生的噪声会在扩压空间的位置，产生相互作用的状态，最终会导致大量的声涡出现，在扩压空间当中形成的声场力度最强。在不同阀门开度状态下，阀门开度越小时，扩压空间也会比较小，空腔内部的声压也会随之变小，因而阀门开度与扩压空间大小、空腔内部声压之间是成正比例变化关系。而下游的声场强度在不同的开度状态下，变化不是非常明显，但是声场指向性受开度变化的影响比较明显。

2.下游声场的指向性

在开度不同的状态下，最大声压的方位角具备差异性，在二次截流口两侧阀体壁面和喷柱的共同作用下，内漏喷流噪声的传播具有方向性。开度不同会直接导致喷射的角度与形成的喷柱形状会产生差异，就会对下游声场的指向性产生影响作用，声场分布也均不相同。当开度变小的情况下，下游声场的总强度值会随之变小，声压方位角会变得剧烈，局部声压比较高，指向性显著。当阀门的开度在0以下或者为0时，下游声场的分布没有明显的差异。

3.上下游声场强度的对比分析

上游与下游的在声场传播期间，声场强度会受到截流口处距离的影响，而产生衰减，上游与下游对比来分析，衰减的速度比较大的是上游声压。当截流口处距离参数保持一致的状态下，下游与上游的声压最大值会存在比较明显的差异，一般下游声压数值最少会高出15dB，最大情况会高出30dB[2]。而当阀门开度变化时，开度值越小的情况下，上游与下游的声压差值会随之变大。究其原因是上游的声场扩散性能比较强，传播的缝隙会随着开度变小而收缩，下游的噪声是通过辐射而直接传播，声场的强度就因此出现较大的差异。

结束语：通过数值模拟分析，内漏喷流噪声传播影响因素包括内漏气流喷柱扰动、闸阀内壁反射等，具备明显方向性，在阀门开度变化的情况下，喷柱形状与喷射角度的不同会使下游声场指向与声压分布同步产生变化，声压最强的位置是在闸板与阀体内壁面构建的扩压空间区域。

参考文献：

[1]王川洪，刘辉，姜婷婷，等.采气井口装置法兰式平板闸阀泄漏原因分析[J].化工管理，2019（14）：83-84.

[2]袁淋，梁中红，肖仁杰，等.元坝气田井口装置平板闸阀故障分析及对策研究[J].中外能源，2018，23（08）：60-64.