阀门内漏的声场数值模拟及实验研究

论文摘要

本文以承压阀门气体内漏这一工程问题为背景,研究针阀,球阀和闸阀的声学检测与评价。阀门内部流动状态比较复杂,气体喷流流场与声场相互作用,相互影响,从理论上很难准确分析气体喷流声场的特性。本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法,通过对阀门气体内漏声场进行模拟,分析阀门气体内漏发声机理及声场特性,模拟分析结果对阀门气体内漏声学检测技术提供理论依据。阀门气体内漏过程产生的高速射流喷注不仅辐射四极子噪声,而且不均匀的气流还对噪声的传播起扰动作用。所以分析阀门内漏的流动状态及喷射噪声源的位置,强度,扰动速度的分布等情况可为内漏噪声场的数值模拟提供基础。内漏流场的模拟采用雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型作为控制方程,在空间上采用有限体积方法（FVM）二阶迎风格式对控制方程进行离散,时间上采用四阶Runge-Kutta法进行积分,流速和压力偶合采用SIMPLEC算法。根据阀门气体内漏流场模拟结果,得到扰动速度的分布函数,为阀门气体内漏声场模拟奠定基础。阀门气体内漏喷流声场的数值模拟采用加载速度扰动的声波动方程为控制方程,运用无条件稳定,高精度的加权平均三层隐格式差分方法,边界上综合运用Clayton-Engquist-Majda无反射边界条件和Dirichlet全反射边界,采用MATLAB软件进行编程计算和结果可视化输出。完成了轴对称射流噪声场及三种阀门气体内漏声场的数值模拟,同时分析不同上游压力和内漏状态对阀门内漏声场的影响及其声场特性,得到上游压力及内漏状态对内漏发声的影响规律。建立阀门气体内漏声学检测模拟实验装置,采用声学检测仪测试不同类型阀门内漏过程的声信号,获得阀门气体内漏过程声强及内漏率的实验数据,验证数值模拟结果的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 引言
• 第1章 阀门内漏噪声场的数值模拟计算方法
• 1.1 声波动控制方程
• 1.1.1 声波动控制方程的推导
• 1.1.2 加载扰动速度的声波动控制方程
• 1.2 数值方法
• 1.3 边界条件
• 1.3.1 无反射边界条件
• 1.3.2 全反射边界条件
• 1.4 初始条件
• 1.4.1 阀门内漏噪声源的确定
• 1.4.2 阀门内漏噪声源声压的确定
• 1.4.3 声源项的处理
• 第2章 轴对称射流气动噪声的数值模拟
• 2.1 静止流场中声波演化的数值模拟
• 2.2 轴对称射流噪声机理分析及其流场分析
• 2.2.1 射流噪声产生的机理
• 2.2.2 射流流场模型的建立及初始条件设定
• 2.2.3 轴对称射流场模拟结果及分析
• 2.3 内漏喷注速度分布函数的建立
• 2.3.1 速度沿对称轴分布函数的建立
• 2.3.2 速度径向分布函数的建立
• 2.3.3 内漏喷注速度分布函数的确定
• 2.4 轴对称气动噪声场的数值模拟及分析
• 2.4.1 射流噪声场模型的建立
• 2.4.2 数值计算结果及分析
• 2.4.3 气动噪声场特性分析
• 2.5 小结
• 第3章 阀门气体内漏声场的数值模拟及分析
• 3.1 闸阀气体内漏流场的数值模拟及分析
• 3.1.1 闸阀内漏流场模型的建立
• 3.1.2 不同内漏间隙下的闸阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.1.3 上游压力变化条件下的闸阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.2 闸阀气体内漏声场的数值模拟及分析
• 3.2.1 闸阀内漏声场模型的建立
• 3.2.2 不同内漏间隙下的闸阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.2.3 上游压力变化条件下的闸阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.3 球阀气体内漏流场的数值模拟及分析
• 3.3.1 球阀内漏流场模型的建立
• 3.3.2 不同内漏间隙下的球阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.3.3 上游压力变化条件下的球阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.4 球阀气体内漏声场的数值模拟及分析
• 3.4.1 球阀内漏声场模型的建立
• 3.4.2 不同内漏间隙下的球阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.4.3 上游压力变化条件下的球阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.5 针阀气体内漏流场的数值模拟及分析
• 3.5.1 针阀内漏流场模型的建立
• 3.5.2 不同内漏间隙下的针阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.5.3 上游压力变化条件下的针阀气体内漏流场数值模拟及分析
• 3.6 针阀气体内漏声场的数值模拟及分析
• 3.6.1 针阀气体内漏模型的建立
• 3.6.2 不同内漏间隙下的针阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.6.3 上游压力变化条件下的针阀气体内漏声场数值模拟及分析
• 3.7 小结
• 第4章 阀门内漏的声学检测实验研究
• 4.1 实验目的及内容
• 4.2 阀门气体内漏声学检测实验系统设计
• 4.2.1 实验装置的建立
• 4.2.2 实验阀门的选取
• 4.2.3 传感器的选择
• 4.3 阀门气体内漏的实验研究
• 4.3.1 针阀内漏的实验研究
• 4.3.2 球阀内漏的实验研究
• 4.3.3 闸阀内漏的实验研究
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要