输气管道气体流经阀门气动噪声产生机理分析

刘翠伟， 李玉星， 王武昌， 谢祝祝

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266555；2.中国石油集团工程设计有限责任公司 北京分公司，北京 100085)

阀门作为流动输送与控制系统中常用机械设备，主要调节、控制流体质量流量、压力及流动方向以满足工作系统要求。因此，考虑管道安全、减振、降噪，为长输管道音波法泄漏检测[1-4]准确性提供保证，研究阀门产生的噪声十分必要。

在天然气长输管道系统[5]中，流体流动对噪声影响主要有：① 流体流动对噪声传播的多普勒效应，流动速度较大时(Ma>0.3)，多普勒效应明显，不直接影响声源强度，只影响声音传播；② 流体与结构耦合作用使结构振动发声，流体湍流运动导致结构表面压力脉动，对结构产生负载，引起结构振动而辐射噪声；③ 流体湍流运动形成的流噪声、湍流引起的压力或速度脉动形成直接噪声源，可等效为理论声源，包括偶极子声源、四极子声源。输气管道中音波主要由压缩机启停运行、阀门开关、泄漏分支管等产生的噪声所致。此音波主要为气动噪声、气体流动所致结构噪声。气动噪声[6]由直接作用于流体的振动力、流体本身剧烈运动等产生，即流噪声。

输气管道气动噪声研究方法主要有三类：计算气动声学方法，CFD软件计算气动噪声方法及CFD软件联合声学软件仿真计算方法。用有限体积法求解输气管道气体流经阀门的流场，用边界元法求解阀门声场，具体实现方法即CFD软件联合专业声学软件仿真方法。用大涡湍流模型(LES)计算输气管道气体流经阀门瞬态流场，获得流场变量如压力、速度等参数的时域精确解；用专业声学分析软件Sysnoise读取计算流体动力学(CFD)计算所得流场分布，通过快速傅里叶变换将时域数据转换到频域，利用FW-H方程将流场分布结果转化为结构表面偶极子声源及流场中四极子声源，计算出声源作用引起的声场分布，并考虑声源周围结构引起的反射、衍射等声场特征[7]，分析输气管道气体流经阀门气动噪声的产生、传播及衰减规律；通过音波法泄漏检测试验装置对模拟结果进行试验验证。

1 CFD软件与声学软件联合仿真理论分析

1.1 输气管道气体流经阀门流场计算

对流场稳态模拟后以稳态模拟结果为初始条件进行瞬态模拟。稳态模拟用k-ε方程，瞬态模拟用LES大涡模拟方程。对瞬态LES大涡模拟主要为：用瞬时Navier-Stokes方程直接计算湍流中大尺度涡，小尺度涡对大尺度运动影响则建立模型模拟，即先建立数学滤波函数，从湍流瞬时运动方程中将尺度比滤波函数尺度小涡滤掉，分解出描写大涡流场的运动方程；再通过在大涡流场运动方程中引入附加应力项体现被滤掉的小涡对大涡运动影响，该数学模型称为亚格子尺度模型(SubGrid-Scale model，SGS)。

控制方程组为：

(1)

(2)

1.2 FW-H声拟理论

Ffowcs Williams等[8-10]解决运动物体在流体中发声问题，获得Ffowcs Williams & Hawkings方程(简称FW-H方程)：

(3)

式中：等号右边三项为单极子声源项，由表面加速度引起(流体位移分布)；由表面脉动压力引起的声源(力分布)偶极子声源；流体紊流所产生的四极子声源。

在输气管道气体流经阀门气动噪声研究中，单极子声源强度与阀门刚性表面水平方向速度有关，可忽略，因此本文主要研究输气管道气体流经阀门产生的偶极子声源与四极子声源。

1.3 直接边界元法求解气动噪声

在Sysnoise中，直接边界元法[11-16]即求解系统方程：

A(ω)p=B(ω)vn

(4)

式中：p为流体模型表面上的节点压力；vn为流体模型表面法线方向节点速度；A，B为影响矩阵。

流体模型表面的声压、速度、声强等在求解系统方程时可直接获得。声场中任一点声压计算式为：

Pp=dTp+bTvn

(5)

式中：Pp为声场中任一点声压；p为边界节点声压；vn为边界节点法向速度向量；a，b为插值系数矩阵。

1.4 输气管道气体流经阀门气动噪声求解流程

本文采用CFD仿真模拟软件Fluent和专业声学软件SYSNOISE对管道声场进行求解，具体流程如下：

图1 分析流程图

2 实验装置

实验装置设计压力6.4 MPa，允许最高压力8 MPa，管径14 mm，壁厚2 mm，设计流量60 m3/h。实验架总长250 m，可实现高压力、大雷诺数下输气管道音波泄漏检测及定位功能，见图2。

图2 实验管架图

该装置所用气体介质为压缩空气。在管路实验台架中用平齐式安装压力传感器方法，在阀门上、下游分别安装压力传感器，上下游音波传感器距离球阀球心均0.1 m，测量球阀的阀门噪声，获得阀门上下游压力信号频谱图，采样率30 000 Hz。音波传感器作为音波泄漏检测实验的核心元件选购美国PCB生产的106B型动态压力传感器，其测量范围-57.2～57.2 kPa，灵敏度43.5 mV/kPa，可测最大动压1 379 kPa，能在13 790 kPa环境压力下工作，分辨率达0.000 69 kPa，谐振频率60 kHz。该装置建立高速实时数据采集系统，用NI公司型号为PCI6229的常规数据采集卡及型号为PCI4474的动态数据采集卡(用于泄漏声波信号采集)，可进行高速数据采集，保证泄漏检测的实时性及定位精度，系统采样频率可超过20 kHz。

3 CFD模拟流场分析

3.1 物理模型建立

据实验装置建立含阀门(球阀)的管段模型见图3，管道内径10 mm，取湍流充分发展管段；考虑仿真计算域不宜太大，取阀门前管段52.5 mm，阀门后管段97.5 mm，总长150 mm；管道中介质为不可压缩空气，参数为：密度ρ=1.225 kg/m3，动力粘度μ=1.789 4×10-5N·s/m2或μ=ρν，得运动粘度ν=1.460 7×10-5m2/s；为充分研究输气管道气体流经阀门时气动噪声产生机理，对不同阀门开度如30°，45°，60°进行研究。结果表明，不同阀门开度造成阀门流场及速度场数值不同，但声源分布结果一致，仅存在声源大小差异。限于篇幅，为更清楚描述阀门流场、压力场，以阀门开度45°为例进行分析。

图3 球阀管段模型

3.2 边界条件设置

边界条件设置见表1，其中u为入口速度；I为湍流强度；L为湍流长度尺度；P为出口压力。将阀门快速开至45°角过程及后阀门对气体阻挡作用抽象成气体在开度45°角阀门管段中的瞬态流动。瞬态模拟以稳态模拟为初始条件，总时间0.25 s，时间步长可决定计算最高频率。而据奈奎斯特采样定律，可还原的最高信号频率只有采样频率的一半。故本次计算最高频率设为2 000 Hz，对应的时间步长0.000 25 s。共迭代1 000步，每步迭代20次且使每步均能收敛较好，获得频率步长为4 Hz。

表1 模拟边界条件

3.3 仿真结果流场分析

阀门开至45°时，流场中速度、压力变化过程为：气体由入口管段流入时遇阀门壁面，使阀门壁面速度为0，压强最大；由于入口段气体不断流入，使气体被压入阀门与管壁形成的通道，在阀门内腔扩张后再经阀门后缘与管壁形成的通道压缩喷出，因此阀门后缘处速度达最大；而阀门边缘处曲率变化最大，使气体在阀门边缘处分离，在阀门后壁面产生分离流及回流，回流在阀门壁面阻挡及新流体携带作用下产生涡流；流体在阀门内腔流动时，因压力、速度的变化也会产生涡流。涡流会引起速度、压力脉动，形成气动噪声源。阀门流场速度矢量见图4，阀门面压力见图5。

图4 阀门流场速度矢量图

图5 阀门面压力图

由图5看出，阀门开至45°、气体流经阀门时，由于阀门的阻挡作用，造成气体在阀门前被压缩、阀门后部被扩张，在阀门前壁面产生局部高压区，在阀门后壁面产生局部低压区，造成气体在阀门处收缩扩张，在阀门前壁面、后壁面、阀门内腔产生涡流。由于阀门作用，一部分流体受阻，流体质点不能突然改变运动方向，即流向不能平稳、圆滑过渡，在阀门附近流体出现逆流运动趋势，使这部分流体不断、剧烈地在阀门附近作漩涡运动，使漩涡区流体质点不断被主流带走，而主流区不断将流体给予补充，由此会引起阀门壁面脉动压力变化，产生流噪声。

4 气动噪声模型建立及分析

4.1 阀门气动噪声模型建立

建立声学计算的网格模型，并采用直接边界元模型。为使计算结果准确，要求1个波长内有6个单元，因此网格划分足够精细；设置声音传播介质的流体属性为ρ=1.225 kg/m3，声传播速度340 m/s。将CFD计算所得每个时间步速度与压力等声源信息为声源边界条件导入直接边界元模型进行计算，获得表面偶极子声源与四极子声源分布，建立输气管道气体流经阀门气动噪声模型。偶极子声源分布见图6，四极子声源分布见图7。

图6 偶极子声源强度分布(20 Hz)

图7 四极子声源强度分布(20 Hz)

4.2 气动噪声频域分析

由于Sysnoise中作为声源边界条件导入的CFD数据已由时域转化为频域，因此对所得表面偶极子声源与流场四极子声源进行频域分析。沿管道轴向设置场点：(0,0,±0.01)， (0,0,±0.05)， (0,0,±0.1)， (0,0,±1)， (0,0,±5)，单位m。

为便于分析各场点在频域的声压级，绘制各观测点声压级见图8，获得距离阀门0.01 m，0.1 m，5 m处上下游观测点声压级见图9，各观测点2 000 Hz内声压级波动范围、中间幅值、平均幅值见表2。

图8 各观测点声压级

表2 各观测点声压级

由图8、图9、表2看出：① 阀门流场各观测点气动噪声声压级频带较宽，无明显主频率，为宽频噪声。② 同一流速下阀门流场各观测点气动噪声在低频时声压级幅值较大，随频率的升高，幅值持续下降。由此可知，气动噪声低频部分能量较大，高频部分能量较小。③ 各观测点声压级图随远离阀门的距离增大，斜率趋向平缓，越接近阀门，声压级由低频至高频衰减越快；离阀门0.05 m与0.1 m处两声压级曲线几乎相交。④ 在45°开度下，阀门上游音波声压级大于阀门下游音波声压级，且离阀门越近，上下游声压级差别越大；离阀门较远时，上下游声压级图几乎重合。⑤ 观测点(0,0,±0.01)、 (0,0,±0.05)、 (0,0,±0.1)处，随频率值增大，声压级幅值逐渐减小；观测点(0,0,±1)、 (0,0,±5)处，随频率值增大，声压级幅值先增大后减小，且在400 Hz处达最大值。⑥ 声压级经相同距离时的衰减程度为离阀门越近，声压级衰减越快，由离阀门0.01～0.05 m，声压级减小50 dB；由离阀门1～5 m处，声压级减小15 dB，由此可推断，经一段相同距离，阀门近处声压级衰减较阀门远处快。

为更全面对阀门噪声进行频谱分析及音波能量分布分析，绘制z轴方向各观测点声强级见图10，离阀门0.01 m，0.1 m，5 m处上下游观测点声强级见图11。对比图8、图10及图9、图11看出，曲线虽数量级相差较大，但规律、趋势一致，声压级、声强级得以互相印证。

图11 上下游声强级对比

5 试验验证

图12 阀门上下游声压级对比

实验装置用气体介质为压缩空气。实验管路中采用平齐式安装压力传感器方法，在阀门上、下游分别安装压力传感器，测量球阀阀门噪声，获得阀门上下游压力信号频谱图。压力1 MPa下阀门操作时上、下游音波信号传感器分别采集数据经处理所得声压级见图12，采样率30 000 Hz。模拟各观测点与音波传感器测得声压级见表3。

表3 各观测点与音波传感器所测声压级

比较图8、图12看出，模拟得声压级及实验得声压级曲线趋势一致。由于音波传感器存在实际反应时间，而音波传感器采集到的信号为整个管路包括阀门、压缩机、弯管等噪声信号，相互间存在影响，因此声压级曲线变化平缓。但总体符合模拟所得声压级曲线变化规律。由表3看出，试验中音波传感器所测音波数据进行声压级处理后与模拟所得音波数据声压级为同一数量级，说明本文阀门开度下，上游阀门噪声大于下游阀门噪声，模拟获得音波数据与实验测得音波数据存在误差，原因为模拟所得音波数据主要为阀门噪声，而音波传感器所测数据亦包括其它背景噪声。由此说明本文数值模拟准确，可用模拟数据分析输气管道阀门流噪声规律、进行输气管道音波法泄漏检测试验。

6 结 论

以球阀开度为45°为例，通过对输气管道气体流经阀门气动噪声模拟分析及实验研究，结论如下：

(1) 用CFD软件对阀门流场进行仿真模拟获得阀门流场分布后导入专业声学软件进行声学分析完全可行。即进行瞬态CFD计算，输出压力脉动或速度脉动数据，导入CFD结果在声学软件中转化为偶极子、四极子等效声源，进行声学计算及后处理。

(2) 输气管道中阀门噪声源为偶极子声源与四极子声源，在低马赫数下，偶极子声源占主要地位。偶极子声源分布于阀门表面，四极子声源分布于整个流场。

(3) 对所建输气管道阀门气动噪声模型进行流场、声场分析知，阀门开至45°角时由于阀门作用，使管道中流场处于瞬态流动，流场中存在强烈的压力、速度脉动，而该两脉动恰为输气管道中气动噪声产生的根本原因。

(4) 通过对气动噪声模型频域分析，获得音波产生、传播及衰减规律。

(5) 音波法泄漏检测装置可较好验证CFD软件联合专业声学软件模拟结果及所建输气管道阀门气动噪声模型；阀门气动噪声模型可指导试验。

参 考 文 献

[1]万洪杰,孙凌云,张兴武. Dolphin智能音波管道泄漏监测系统[J].自动化博览，2009,3:87-90.

WAN Hong-jie，SUN Ling-yun，ZHANG Xing-wu. Dolphin smart sonic pipeline leak monitoring system[J].Automation Panorama，2009,3:87-90.

[2]孙立瑛,李一博,靳世久,等.充液管道中声发射波的传播及衰减特性研究[J].压电与声光,2008,30(4):401-403.

SUN Li-ying，LI Yi-bo，JIN Shi-jiu,et al. Study on propagation and attenuation characteristics of acoustic emission wave propagation along fluid loaded pipeline[J]. Piezoelectectrics & Acoustooptics,2008,30(4):401-403.

[3]Muggletona J M,Brennana M J, Linfordb P W. Ax symmetric wave propagation in fluid-filled pipes: wave number measurements in invasion and buried pipes[J]. Journal of Sound and Vibration, 2004, 270:171-190.

[4]Muggleton J M, Brennana M J,Pinnington R J. Wavenumberpre diction of waves in buried pipes for water leak detection[J]. Journal of Sound and Vibration, 2002, 249(5):939-954.

[5]李玉星,姚光镇.输气管道设计与管理[M].北京:中国石油大学出版社,2009:6-10.

[6]孙晓峰，周盛著.气动声学[M].北京：国防工业出版,1994:577-584.

[7]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社,2004:80-85.

[8]Lighthill M J. On sound generated aerodynamically I. general theory[J]. Proc. R. Soc. Lond. A, 1952, 211(1107):564-587.

[9]Curle N. The influence of solid boundaries on aerodynamic sound[J]. Proc. R. Soc. Lond. A , 1955, 231(1187): 505-514.

[10]Ffowcs Williams J E, Hawkings D L. Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion[J]. Proc. Roy. Soc.Lond.A, 1969, 264(1151): 321-342.

[11]李增刚.SYSNOISE Rev5.6详解[M].北京：国防工业出版社,2005:8-10.

[12]李增刚，詹福良.Virtual.lab acoustics 声学仿真计算高级应用实例[M].北京：国防工业出版社,2010:272-280.

[13]Baner jee P K, Ahamd S, Wang H C. A new BEM formulation for the acoustic eigenfrequecy analysis[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1988, 26(6) :1299-1309.

[14]Ali A, Rajakumar C, Yunus S. Advances in acoustic eigenvalue analysis using boundary element method [J]. Computers and Structures , 1995, 56(5): 837-847.

[15]周朝善,马卫平.基于SYSNOISE的汽车气动噪声仿真[J].企业技术开发,2009,28(3):58-60.

ZHOU Chao-shan，MA Wei-ping. Simulation of aerodynamic noise of automobile on sysnoise[J]. Technological Development of Enterprise,2009,28(3):58-60.

[16]严 谨,刘敬喜,张 娟.埋地管道漏损检测的声传播特性研究[J].振动与冲击,2012,31(3):127-131.

YAN Jin, LIU Jing-xi, ZHANG Juan. Characteristics of sound propagation in a buried pipe for leak detection[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(3):127-131.