閥門作為流體的限制開關設備產生的*明顯的一個問題是噪聲，閥門噪聲和伴生的振動會影響閥門性能并且會造成閥門及鄰近管路及設備的疲勞，降低其使用壽命。因此，閥門噪聲必須重視。
根據(jù)產生機理閥門產生的噪聲分為機械振動噪聲，氣蝕噪聲和流體噪聲。
機械振動噪聲是由湍流、壓力振蕩或由于速度和（或）大的流量所產生的不穩(wěn)定的流動力量所引起的。其噪聲級比較低，很少超過90dB（A），頻率在50Hz～1500Hz范圍之內。通過改變閥芯形狀的辦法，機械振動噪聲往往是可以降低的。
氣蝕噪聲是氣蝕嚴重程度的函數(shù)，所產生的噪聲類似于純閃蒸液體的噪聲。氣蝕噪聲的形成機理比較復雜，目前還不能較好的預測。氣蝕噪聲一般不會超過100dB（A）。通過適當選擇隔聲材料可以處理這種噪聲。
流體噪聲是管路*常見的噪聲源。這種噪聲基本上是由于湍流流體和在混合區(qū)域內的層流流體的相互作用或者由于高速和（或）氣體質量流率的沖擊波所引起的。當管路流速超過聲速（340m/s）時，會有較大的流體噪聲，而當質量流量較大時，在較低的壓降和流速下也可能產生高的噪聲級。
1 閥門管路流動噪聲研究方法
對于閥門管路的流動噪聲，一般有兩類預測方法。一類方法是經(jīng)驗方法，只要知道管路的幾何尺寸和流動狀態(tài)，就可以基于半經(jīng)驗公司對閥門和管路的流動噪聲進行預測。目前每個大的閥門生產商基本都有自己的流動噪聲預測程序。一些國際和行標也定義了流動噪聲的預測方法，如IEC和ISA，其中IEC534-8-3空氣動力學噪聲標準是控制閥領域使用的*廣的工業(yè)閥門噪聲預測標準。這一標準計算流體在各個方向的聲響效率因素，并可計算閥門內部的聲源強度，管路的傳遞損失，峰值頻率以及管路輻射。
此類半經(jīng)驗方法的優(yōu)點在于計算迅速，也有一定的準確性，可作為設計的參考。其缺點在于無法詳細考慮流動和管路結構對*終噪聲輻射的聲響，也無法處理非標準的閥門。
另一類的計算方法是使用瞬態(tài)計算流體力學（CFD）方法和聲學軟件結合的預測方法。通過使用CFD瞬態(tài)計算提取的信號，轉換得到的等效流體聲源，并加載到聲學和結構模型中，計算傳遞損失和外場的聲輻射。此類計算方法的計算量非常大，對計算資源和工程師的技術要求相對較高。其優(yōu)點是可以考慮較多的細節(jié)，如流態(tài)、幾何尺寸。同時計算的結果輸出豐富，可以幫助工程師更好的理解流動噪聲問題。
2 采用的計算方法介紹
本文使用了兩種計算方法對控制閥門的流動噪聲進行了預測。一種是前面介紹的基于瞬態(tài)CFD和聲學軟件的方法。另外一種則是將穩(wěn)態(tài)CFD計算與IEC534-8-3的規(guī)范相結合，進行閥門管路噪聲的預測
2.1 幾何模型與求解器選擇
在CFD計算中，邊界位置的設置和邊界條件的設置往往對計算的結果產生較大的影響。入口的位置和邊界條件影響更大。入口的的速度分布和湍流度會直接影響到下游的流場。本文的模型邊界為從閥門管路上游300mm到閥門管路下游900mm的部分。
對于閥門內流問題，由于管內*高速度可以超過音速，因此選擇耦合式求解器進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的計算。耦合式求解器的一個好處是：其收斂速度不會隨著網(wǎng)格的增加而變差，也就是說其計算時間基本上跟網(wǎng)格的數(shù)量成正比。
2.2 瞬態(tài)計算方法介紹
通過耦合CFD軟件STARCCM+與專業(yè)聲學軟件LMSVirtual.LabAcoustic來求解閥門內部流場以及引起的外部輻射噪聲。在CFD計算中，對閥門內部的瞬態(tài)流場進行求解并輸出流場特征，然后將噪聲的源項導入到LMSVirtual.LabAcoustic來計算噪聲的傳播；
計算采用三維、瞬態(tài)的耦合求解器，使用空間和時間2階離散格式，湍流模型采用基于SSTk-w的DES模型。DES/LES是一種空間濾波的處理方法，對于大于某尺度的渦，使用DNS方法模擬其輸運；對于小于該尺度的渦，則使用湍流模型來模擬其耗散。采用DES的目的是為了捕捉中高頻的閥門流體噪聲。
圖1 瞬態(tài)CFD計算閥門噪聲仿真流程
計算模型中網(wǎng)格的尺度往往*終受限于計算資源。采用的CFD模型網(wǎng)格數(shù)目為1200萬左右，主要集中在閥門后部及其下游的關鍵區(qū)域。
基于流場計算得到的速度和壓力脈動，應用經(jīng)典的的Lighthill公式計算四極子聲源的強度如下
（1）
上式中Tij為Lighthill張量
在所使用的聲學軟件LMSVirtual.Lab中，可以自動實現(xiàn)基于流場數(shù)據(jù)（cgns格式）轉化等效聲源，并進行后續(xù)的聲場計算。
2.3 穩(wěn)態(tài)計算方法介紹
傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)的閥門流體噪聲計算程序，如IEC，ISA等，可以方便的基于閥門的幾何尺寸和流動參數(shù)來預測閥門的輻射噪聲，其一般流程如下：
1）根據(jù)幾何尺寸和流態(tài)來確定閥門管道系統(tǒng)內流體的機械能；
2）基于經(jīng)驗公式確定轉換系數(shù)，由流體的機械能得到流體的聲能；
3）根據(jù)流體的聲能，確定管路內部流體的等效總聲壓；
4）根據(jù)管路的材料和尺寸，計算出管路的聲傳遞損失和管路外壁面聲壓；
5）計算距離管壁1m處的聲壓，并進行記權處理。
本文采用的穩(wěn)態(tài)計算方法在確定聲源強度時采用了穩(wěn)態(tài)CFD預估的方法。而對聲場向下游的傳播，管路的隔聲以及管路的聲輻射，采用了與IEC類似的經(jīng)驗公式進行計算。這是因為使用CFD工具，基于流場的湍動能參數(shù)，可以較好的預測局部的聲能量密度。但是對于目前的CFD計算格式，預測微小信號（聲信號）在流場中的傳播，乃至預測聲場與管路結構的耦合仍然是極為困難的。
穩(wěn)態(tài)計算的另一個好處是不需要提取流場的瞬態(tài)信號，可以直接使用時間平均的穩(wěn)態(tài)結果，這大大降低了對計算資源的要求，提高在工程應用上的可用性。
流場計算完畢后，預估聲源強度的公式如下
（2）
上式中AP為聲功率密度，α為常數(shù)，u為速度矢量分量的均方根值，l是局部流場特征尺度，po和a0分別為遠場的介質密度和聲速。
流道中的總聲功率計算完畢后，可帶入到計算程序中，計算距離管壁1m處的記權聲壓級。
3 計算結果與分析
3.1 瞬態(tài)計算結果
計算得到的瞬態(tài)流場計算結果如式（2）所示
由圖2可見，對于計算工況，流路內部局部*高速度達到了500m/s，超過了音速，這是由于閥門泄露處的截面類似于一個C—D噴口。經(jīng)過閥門加速后的氣體在擴張段中心形成了對沖，往下游逐步發(fā)展為平均流動。
圖2 閥門后部下游的瞬態(tài)速度和壓力分布
工質經(jīng)過閥門加速后產生了過膨脹。在閥門下游處形成了激波網(wǎng)格結構（shock-cell）。閥門下流場的劇烈變化會對閥門結構產生強烈的沖擊，導致閥門管壁振動并向外輻射噪聲。
將流場信號轉化為等效聲源后，輸入到聲學軟件中進行聲振耦合計算，以得到閥門下游管路1m處的聲場。典型的聲場分布如圖3所示。
圖3 4000Hz管道外部聲壓分布
將計算的結果與測試結果相比較，見圖4和圖5?？梢娫谀芰?集中的頻段（1000Hz～4000Hz），仿真與試驗結果吻合的較好。在低頻段和高頻段，仿真結果比實驗結果較小，這是因為對于管路傳遞損失，低頻主要是強度控制區(qū)，建模的細節(jié)和邊界條件影響很大；而對于高頻，想得到準確的聲源特性對CFD的要求極高，由于計算資源和計算時間的限制，導致聲源的高頻特性與真實情況差別較大。
圖4 1/3倍頻程聲壓測結果比較（測點1）
計算得到三個測點的總聲壓級接近，測點1、測點2、測點3（測點1、2、3的位置均位于閥門下游1m處的橫截平面上，距離管壁的距離均為1m）的總聲壓級分別為80.6dB（A），80.4dB（A），80.6dB（A）。試驗得到的測點1和測點2的總聲壓級分別為84.6dB（A）和80.8dB（A）。對測點1和測點2，計算與仿真的誤差分別為4dB（A）和0.4dB（A）。
圖5 1/3倍頻程聲壓測量結果比較（測點2）
3.2 穩(wěn)態(tài)計算結果
使用穩(wěn)態(tài)方法進行計算，首先使用穩(wěn)態(tài)CFD計算，得到閥門管道流場中的聲功率密度如下圖6所示。
圖6 流道內聲功率密度分布
由圖可見，局部聲功率*大的地方存在與閥門后部下游的激波區(qū)和混合區(qū)。
將計算得到的流場的總聲功率值代入計算程序（實現(xiàn)IEC-534-8-3和ISA規(guī)范），得到的計算工況試驗與仿真結果的對比如圖7。
由圖7可見，對于計算工況，在300Hz到10000Hz的范圍內，穩(wěn)態(tài)CFD方法的預測曲線與測量曲線的趨勢基本一致，幅值差距也較小。
圖7 1/3倍頻程聲壓測量結果比較
4 結語
通過兩種方法的計算，可以得到的結論如下：
（1）兩種方法均可以較好的預測調節(jié)閥門的噪聲。通過與測量結果的比較，穩(wěn)態(tài)方法預測結果和瞬態(tài)方法預測結果的趨勢均與測量結果曲線基本一致，驗證了兩種預測方法的可靠性；
（2）瞬態(tài)計算方法的計算流程比較簡單，但是計算量相較穩(wěn)態(tài)計算要大兩個數(shù)量級以上；
（3）穩(wěn)態(tài)計算方法計算量小，預報精度與瞬態(tài)方法相當，具有很大的工程價值。
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