以典型DN65通海閥為對象，采用數值仿真的手段，對通海閥聲學現狀和結構特性進行分析研究。同時，利用LMS振動測試儀器對DN65通海閥的模態頻率和模態阻尼進行了測試，對比分析仿真計算和試驗測試的結果，證明了仿真計算的可信性和正確性。

　　通海閥作為管路系統的重要組成部分，除了其自身流體控制功能外，還是管路系統的噪聲源之一，對系統流噪聲和結構噪聲均有明顯的影響。當流體通過閥門時，其流動狀況發生激烈的變化；由于閥板的節流作用，流體在閥門前后激烈地混攪、沖擊，同時壓力也有劇烈的變化。從流體動力學觀點解釋，流體在閥前具有較高的壓力勢能，通過閥門時，流體加速，使勢能轉變為動能；同時有一部分能量轉變為聲能，以噪聲的形式輻射出來。大多數情況下，閥門下游的噪聲比上游更強烈。

　　本文以典型DN65通海閥為研究對象，通過流體動力計算、結構有限元分析等技術手段，對DN65通海閥的流體性能、流動噪聲性能進行研究。同時，利用LMS振動測試儀器對DN65通海閥的模態頻率和模態阻尼進行了測試，對比分析仿真計算和試驗測試的結果，證明了仿真計算的可信性和正確性。

1、流場特性分析

　　以典型DN65通海閥為研究對象，采用計算流體動力學CFD軟件中FLUENT[8,9]對閥件內部流道的流動特性和噪聲特性進行分析。流場分析過程中，流體為不可壓縮的牛頓流體。流體密度：1025 kg/m3；動力粘度：0.001 054 kg/m·s。根據實際工作狀況，DN65通海閥的過流量約為20m3/h，按照雷諾數計算公式Re = ρ∙v∙lμ，DN65通海閥的雷諾數約為72 409，遠大于2300，因此，通海閥內流體流動狀態均為湍流，故選擇標準k-ε湍流模型。分析時，設定通海閥入口為速度入口，出口為自由出流，壁面邊界為靜止壁面。

　　分析步驟為：對通海閥建立模型→對模型劃分網格→將網格模型導入FLUENT軟件→設定計算邊界條件→計算求解→查看結果。

　　1.1、DN65 通海閥聲學現狀仿真分析

　　按照實際工作工況，對該閥的分析為由底部進水、側部出水和由側部進水、底部出水兩種工況。首先對通海閥內流場進行穩態分析，計算收斂后，給出不同方案縱截面的速度分布、壓力分布和聲功率級分布，如圖1～圖6所示。

　　由圖1～圖6可知，當流體流至閥內時，壓力值較大，速度值較低，隨著過流面積的減小和流動阻力，壓力減小，速度增大。DN65通海閥最大噪聲均出現在喉頸部，差別在于底部進水時最大噪聲出現在喉頸部靠閥壁側，側部進水時最大噪聲出現在喉頸部靠閥桿側，且側部進水時在閥盤肩部外側區域噪聲較大。

圖1 DN65 通海閥底部進水中剖面壓力分布

圖2 DN65 通海閥底部進水中剖面速度分布

圖3 DN65 通海閥底部進水中剖面噪聲聲功率級分布

圖4 DN65 通海閥側部進水中剖面壓力分布

圖5 DN65 通海閥側部進水中剖面速度分布

圖6 DN65 通海閥側部進水中剖面噪聲聲功率級分布

　　1.2、結構響應分析

　　采用FLUENT對流場進行分析，提取不同時刻結構壁面的脈動壓力，將脈動壓力作為激勵力，施加在通海閥的結構有限元模型中，在ANSYS中計算通海閥的振動響應，并分析振動響應結果。三種規格通海閥結構分析結果如圖7～圖9所示。

圖7 DN125 通海閥結構響應總形變云圖

圖8 DN100 通海閥結構響應總變形云圖

圖9 DN65 通海閥結構響應總變形云圖

　　由圖7～圖9可看出，通海閥結構響應的計算結果顯示閥體內響應極值出現在閥腔上部，而位移在閥腔上部和下部的一些位置都處于較高水平。閥體的流速和噪聲的極值都出現在出水口后的湍流部分。另外，從量級來看，結構的變形值在10-8m左右，相對于閥體壁厚10-2m，結構的響應變形值為極小值可以忽略，即從聲學上來講，流體脈動對閥體的激勵引起的噪聲可以忽略。

　　1.3、模態分析

　　為了比較仿真分析的結果與實際差異，考核驗證DN65通海閥的聲學特性。通過搭建DN65通海閥的測試試驗平臺，利用LMS振動測試儀器對DN65通海閥的模態頻率和模態阻尼進行測試。測試系統、測試儀器及測試過程見圖10～圖12。測試后進行數據整理，提取前10階模態頻率和模態阻尼如表1所示。

圖10 測試系統框圖

圖11 測試儀器照片

圖12 測試過程照片

表1 DN65 通海閥模態測試結果

　　通過在ANSYS 軟件中設置材料屬性參數泊松比(0.36)、密度(8.5t/m3)、楊氏模量(102GPa)等后進行模態計算。圖13為DN65通海閥模態分析結果。

圖13 DN65 通海閥模態分析結果

　　由于仿真分析和試驗測試不可避免的差異性，且模態分析時一階模態頻率是結構分析的主要關心值，試驗測得一階固有頻率為704.4Hz，仿真分析一階固有頻率為645.3Hz，兩者的差異約在8.4%，因此，可以證明仿真分析的結果是正確可信的。

2、結論

　　從計算出的通海閥初步分析結果可知:節流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴重，說明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產生噪聲的主要因素。

　　當流體流經閥門時產生的能量損失主要是流動收縮引起的能量損失，漩渦的旋轉要產生能量損失，流動的擴張要產生能量損失。同時由于湍流的作用和漩渦的出現使海水管路系統的振動和噪聲增大。對海水管路系統的工作狀態有很大的負面影響。

　　流體通過閥芯節流口時，由于過流斷面面積突然減小，則流速增大，壓力減小。而且，產生流動脈動的原因是由于速率的變化而不是速率的大小。同時由于每一個彎頭、斷面突擴或突縮都會引起局部壓力損失，出口處的壓力要比入口處小。節流口以上拐角部位和閥桿繞流漩渦較為嚴重，說明閥桿漩渦和劇烈的壓力變化是影響通海閥性能和產生噪聲的主要因素。所以流體流過閥門時，應控制其壓力降不要太大,一般應大大低于該流體的臨界壓力比。