調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和閥門部件組成。執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動裝置，根據(jù)信號壓力產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推桿產(chǎn)生相應(yīng)的位移，驅(qū)動閥芯運動；閥門部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，直接接觸介質(zhì)，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，也是噪聲的主要來源。

套筒式調(diào)節(jié)閥是一種特殊的調(diào)節(jié)閥，典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其閥體與直通單座式閥體相似，但閥內(nèi)有1個圓形套筒，套筒四周有不同形狀的開口，要根據(jù)流通能力大小來設(shè)計窗口的數(shù)量。利用套筒導(dǎo)向，閥芯可以在套筒中上、下移動，并實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。由于套筒調(diào)節(jié)閥采用平衡型的閥芯結(jié)構(gòu)；因此不平衡力小、穩(wěn)定性好、不易振蕩，從而很大程度上改善了原有閥芯容易損壞的現(xiàn)象。

噪聲污染已成為世界公認(rèn)的四大污染源之一。各國都投入了大量資金來控制噪聲，人們對噪聲控制提出了更高的要求。調(diào)節(jié)閥通常是管道系統(tǒng)中的噪聲源。當(dāng)壓力降低到一定的臨界值時，容易引起氣穴、氣蝕，并伴有流體噪聲和振動。調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)是影響調(diào)節(jié)閥噪聲的關(guān)鍵因素；因此，有必要研究調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。

圖1 套筒式調(diào)節(jié)閥

1 調(diào)節(jié)閥噪聲的原因

1.1 機械振動產(chǎn)生噪聲

調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的機械噪聲主要來自閥芯、閥桿和一些可移動部件，主要是由于介質(zhì)壓力波動或介質(zhì)沖擊的影響，以及調(diào)節(jié)套筒外圓與閥體導(dǎo)向裝置之間的較大間隙。機械振動引起剛性碰撞，產(chǎn)生金屬噪聲和敲擊聲，噪聲振幅的大小由碰撞能量、振動體質(zhì)量、阻尼、剛度等決定，振動頻率一般為1500Hz。

1.2 氣體動力產(chǎn)生的噪聲

當(dāng)氣體介質(zhì)通過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流孔時，會產(chǎn)生氣體動力噪聲，主要是渦旋分離聲。大量研究表明，當(dāng)氣體流量低于聲速時，噪聲主要是由強擾流引起的；當(dāng)氣體流量大于聲速時，介質(zhì)會產(chǎn)生沖擊波，噪聲會急劇增加。一般來說，通過調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的壓縮介質(zhì)噪聲是最嚴(yán)重的。

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1.3 液體動力產(chǎn)生的噪聲

當(dāng)液體介質(zhì)通過調(diào)節(jié)閥的節(jié)流孔時，會產(chǎn)生液體動力噪聲。當(dāng)液體通過節(jié)流口時，由于節(jié)流口面積的快速變化，流量面積縮小，流量增加，壓力下降，容易產(chǎn)生堵塞流、閃蒸和空化。一般來說，當(dāng)節(jié)流口前后壓差不大時，調(diào)節(jié)閥噪聲很小，不考慮噪聲問題；但當(dāng)節(jié)流口兩側(cè)壓差過大時，會出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體和液體相流，兩相介質(zhì)的減速和膨脹自然形成噪聲。開始空化的點稱為臨界點，調(diào)節(jié)閥的壓差為Δpc(開始空化時調(diào)節(jié)閥壓差)，完全空化時的壓差為ΔpT。

流體流動噪聲（Δp≤Δpc）：

噪聲初始空化（Δpc＜Δp＜ΔpT）：

噪音完全空化（Δp＞ΔpT，且p2＞pv）：

式中，LP它是調(diào)節(jié)閥下游1的介質(zhì)動力噪聲的聲壓級m，并離管道1m測量，單位為dB（A）；KV是特定流量下的流量系數(shù)；Kc是初始空化系數(shù)；FL液壓恢復(fù)系數(shù)；H管壁厚；Δp是調(diào)節(jié)閥前后壓差；pv液體飽和蒸汽壓；p一是閥前壓力；p二是閥后壓力。

可以看出，壓差和流速對噪聲的影響最大。速度越高，壓差越大，噪聲越大。當(dāng)然，流量系數(shù)、直徑、壁厚、溫度等因素都會影響噪聲。

2 數(shù)值模擬

2.1 流道建模和網(wǎng)格劃分

計算模型采用圖1所示的套筒調(diào)節(jié)閥，通過三維建模軟件UG進(jìn)出口直徑為80mm，套筒窗的尺寸是根據(jù)設(shè)計計算的。在模擬分析之前，應(yīng)將流體部分劃分為網(wǎng)格，通過布爾計算得到調(diào)節(jié)閥在不同開度下的三維流道圖，并保存成.step格式。通過ICEM計算網(wǎng)格數(shù)為30萬的網(wǎng)格劃分。

2.2　Fluent采用的設(shè)置

將.msh文件導(dǎo)入Fluent，設(shè)置后計算。本算例湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)K－ε非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用模型和離散方程的求解方法SIMPLE算法、速度壓力場采用隱藏的全場迭代解決方案，邊界條件規(guī)定了進(jìn)口總壓力和出口壓力。設(shè)置上述解決方案控制方程后，可獲得不同開度的閥芯模型。

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2.3 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果如圖2所示。A當(dāng)流量突然增加，壓力迅速下降，節(jié)流口附近的負(fù)壓很低。當(dāng)壓力降到一定程度時，閃蒸和空化現(xiàn)象隨之而來。這種現(xiàn)象也可以從圖3中顯示的調(diào)節(jié)閥開度下的速度云圖中驗證。因此，為了改善結(jié)構(gòu)，盡可能提高負(fù)壓值，減少負(fù)壓區(qū)域，可以降低噪音。閥芯拐角處壓力降大，產(chǎn)生漩渦區(qū)域，造成能量損失，降低能量利用率。

圖2 調(diào)節(jié)閥計算流線圖

圖3 調(diào)節(jié)閥計算速度云圖

3 調(diào)節(jié)閥噪聲降低的方法

為了從根本上消除調(diào)節(jié)閥的噪聲，應(yīng)從聲源進(jìn)行處理。設(shè)計機構(gòu)的新型低噪聲閥芯降低了噪聲產(chǎn)生的流量和壓差。通常采用以下兩種方法。

1）設(shè)計迂回路徑。閥芯節(jié)流處設(shè)計分隔的小迂回路徑，由于介質(zhì)和邊界層的湍流切應(yīng)力，形成粘性應(yīng)力，最大限度地提高壓降百分比。

2)采用階梯式閥芯結(jié)構(gòu)。當(dāng)介質(zhì)通過特殊的閥芯和閥座時，設(shè)計多級階梯式閥芯結(jié)構(gòu)，改變介質(zhì)密度，降低壓力，減緩介質(zhì)流量。該方法特別適用于液體容易空化的場合。

4 結(jié)語

通過對調(diào)節(jié)閥噪聲預(yù)測計算公式的分析，找出了調(diào)節(jié)閥噪聲的原因；同時，通過CFD該技術(shù)可視化模擬了調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場，找到了噪聲源，認(rèn)為由于流量和壓降的增加，空化和閃蒸現(xiàn)象很容易產(chǎn)生，噪聲會顯著增加。本文提供了兩種降低調(diào)節(jié)閥噪聲的方法，為未來設(shè)計高性能、低噪聲的調(diào)節(jié)閥提供了有效的思路。