空气动力流经调节阀噪声预测方法优化

1.压力与压力比

噪声预测过程中需要知道几个压力和压力比，下面给出了这些数据。

缩流断面是流速最大、压力最小的区域。其最小压力不能低于绝对零压，可用式（7-52）计算：

在临界流条件下，缩流断面压力用式（7-53）计算：

缩流断面声速流开始时的下游临界压力由式（7-54）计算：

p_2C=p₁-F²_L（p₁-p_vcc） （7-54）

修正系数α是两个压力比的比值：一个是临界流条件下入口压力与出口压力之比；另一个是临界流条件下入口压力与缩流断面压力之比。

修正系数可由式（7-55）计算：

激波紊流作用（Ⅳ态）开始超越剪切紊流作用（Ⅲ态）影响噪声频谱的那一点称为断点。各流态断点处下游压力可用式（7-56）计算：

声效系数为常数的区域（Ⅴ态）开始时的下游压力由式（7-57）计算：

几点说明如下：

1）式（7-52）是亚音速条件下F_L的定义。

2）当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

3）在计算缩流断面压力时需知道参数F_L，由缩流断面压力可计算出速度，并由此确定声效系统。

2.各状态的定义

调节阀通过把势（压力）能转换成紊流来控制流体。调节阀中的噪声是由这种转换能量中的一小部分产生的，大部分能量都变成热能。

产生噪声的不同状态是各种声学现象或气体分子与激波相互作用的结果。状态Ⅰ时，流体以亚声速流动，气体被部分再压缩，这与F_L有关。此类噪声主要由偶极子声源引起。

状态Ⅱ时，噪声主要由激波之间相互作用和紊流阻塞流产生。当Ⅱ态接近极限时，再压缩量减小。

状态Ⅲ时，不存在等熵再压缩。流体为超声速流动，剪切紊流占主导地位。

状态Ⅳ时，马赫面形成，分子碰撞减小，激波紊流作用占主要因素。

状态Ⅴ时，声效系数为常数。p₂的进一步降低将不会使噪声增加。

对于一组给定的工作条件，各状态确定如下：

当p₂≥p_2C时，为状态Ⅰ；当p_2C>p₂≥p_vcc时，为状态Ⅱ；当p_vcc>p₂≥p_2B时，为状态Ⅲ；当p_2B>p₂≥p_2CE时，为状态Ⅳ；当p_2CE>p₂时，为状态Ⅴ。

3.初步计算

（1）阀门类型修正系数F_d 对多级阀，F_d仅适用于最后一级。

阀门类型修正系数F_d可用式（7-58）计算：

单流路水力直径d_H可用式（7-59）计算：

总流路面积的等效直径d₀为

F_d的典型值见表7-9。

（2）射流直径D_j 射流直径D_j用式（7-61）计算：

几点说明如下：

1）N₁₄是数字常数，其值与所用的特定流量系数（K_V或C_V）有关，可从表7-10中查得。

2）使用所需的是C，而不是阀的额定C值。

3）当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

（3）声功率比r_w 声功率比表示向下游管道辐射的声功率部分。阀及管件的系数见表7-11。

表7-9 阀门类型修正系数F_d典型值（全口径阀内件）

注：这只是一些典型值，实际值由制造商标明。

①流关时限定压力p₁-p₂。

表7-10 数字常数N

注：未列出的数字常数在本部分中没有应用。

表7-11 声功率比r_w

4.状态Ⅰ（亚声速流）

缩流断面中气体速度用式（7-62）计算：

质量流量流动功率由式（7-63）计算：

亚声速流下缩流断面温度用式（7-64）计算：

缩流断面中的声速用式（7-65）计算：

缩流断面马赫数为

状态Ⅰ时，声效系数由式（7-67）计算：

η₁=（1×10^-4）M^3.6_vc （7-67）

在状态Ⅰ时产生并向下游管道辐射的声功率为

W_a=η₁r_wW_mF²_L （7-68）

注意，当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

虽然本方法中没有要求，但可用式（7-69）计算出总的内部声功率级：

要计算管道内部声功率，把L_wi减去6dB。

产生噪声的峰频率用式（7-70）计算：

5.状态Ⅱ～状态Ⅴ（通用计算）

在声速或高于声速时，从状态Ⅱ到状态Ⅴ通用下列计算式：

声速流或临界流，缩流断面温度为

缩流断面声速由式（7-72）计算：

流体流动功率由式（7-73）计算：

虽然本方法中没有要求，但内部声功率级也可用式（7-69）、式（7-76）、式（7-79）、式（7-81）或式（7-82）计算。

对自由渐扩管射流，在状态Ⅱ到状态Ⅳ的马赫数由式（7-74）计算：

（1）状态Ⅱ 状态Ⅱ时声效系统由式（7-75）计算：

η₂=（1×10^-4）M_j^6.6F²_L （7-75）

注意，当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

在状态Ⅱ时产生并向下游管道辐射的声功率为

峰频率用式（7-77）计算：

（2）状态Ⅲ 状态Ⅲ时声效系数由式（7-78）计算：

注意，当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

在状态Ⅲ时产生并向下游管道辐射的声功率为

W_a=η₃r_wW_ms （7-79）

峰频率用式（7-77）计算。

（3）状态Ⅳ 状态Ⅳ时声效系数由式（7-80）计算：

注意，当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

在状态Ⅳ时产生并向下游管道辐射的声功率为

W_a=η₄r_wW_ms （7-81）

在状态Ⅳ时的峰频率由式（7-82）计算：

（4）状态Ⅴ 状态Ⅴ时射流马赫数由式（7-83）计算：

状态Ⅴ时声效系数由式（7-84）计算：

注意，当阀带有附接管件时，用F_LP/F_P代替F_L。

在状态Ⅴ时产生并向下游管道辐射的声功率为

W_a=η₅r_wW_ms （7-85）

用式（7-77）计算状态Ⅴ时的峰频率用M_j5替代M_j。

6.噪声计算

下游流体质量密度由式（7-86）计算：

如果已知必要的流体特性，则下游温度T₂可由热力学等焓关系得出。如未知，T₂可近似等于T₁。

下游声速由式（7-87）计算：

阀出口处马赫数可由式（7-88）计算：

参照p₀去计算内部声压级，则可用式（7-89）计算：

透过管壁的传播损失由式（7-90）计算：

频率f_r、f₀和f_g可由式（7-91）～式（7-93）得出：

表7-12 频率系数G_x、G_y

下游管道速度修正值可用式（7-94）近似求得

其中

管道外径处辐射出的A加权声压级可用式（7-96）计算：

L_pA=5+L_pi+TL+L_g （7-96）

最后，管壁外1m处A加权声压级用式（7-97）计算：

几点说明如下：

1）式（7-88）中的M₀宜不超过0.3，如果M₀超过0.3，则精确度就不能保证。

2）式（7-90）中G_x，G_y在表7-12中有规定。

3）式（7-90）中p_a/p_s比值是当地大气压力修正值。

4）式（7-90）中传播损失模型建立在一个内部频率分布6dB/倍频程的基础上。

5）式（7-92）和式（7-93）中，常数343是空气中声音的速度（m/s）。

6）式（7-91）和式（7-93）中，常数5000是声音在钢制管道中的名义速度（m/s）。

7）注意最小的传播损失出现在第一管道重合频率时。

8）为计算L_g，M₂不能超过0.3。

9）式（7-96）中，第一项的5dB是跟所有峰频率有关的一个平均修正值。

7.计算示例

（1）状态Ⅰ时的计算

1）给定数据如下：

①阀的数据：单座球形阀（带套筒，流开）；阀公称尺寸为DN100；阀出口直径，D=100mm=0.100m；额定流量系数C，C_V=195；要求的流量系数C，C_V=90；液体压力恢复系数和管道几何形状系数的复合系数，F_LP=0.792；入口管道公称尺寸为DN200；出口管道公称尺寸为DN200；管壁厚度，t_p=8mm=0.008m；管道内径，D_i=203.1mm=0.2031m；套筒开口数，N₀=6；单流路湿周，l_w=181mm=0.181m；单流路面积，A=0.00137m²；压降比系数，x_T=0.75。

②流体数据：流体形式为蒸汽；入口绝对压力，p₁=10bar=1.0×10⁶Pa；出口绝对压力，p₂=7.2bar=7.2×10⁵Pa；入口密度，ρ₁=5.30kg/m³；入口温度，T₁=177℃=450K；比热比，γ=1.22；分子质量，M=19.8kg/kmol。

③其他参数：实测大气压力，p_a=1.01325bar=1.01325×10⁵Pa；标准大气压力，p_s=1.01325bar=1.01325×10⁵Pa；

④下列数据用于基于GB/T17213.2—2005的计算式或由这些计算式确定。

压头损失系数，∑ζ=0.86；入口速度头系数之和，ζ_i=1.2；管道几何形状系数，F_P=0.98；F_LP/F_P=0.80；质量流量，。

2）计算如下：

7.2×10⁵≥5.8×10⁵，故为状态Ⅰ。

下面计算F_d：(www.xing528.com)

通常制造商会给出F_d的值，在本例中假定F_d=0.3。

查表7-9得N₁₄=4.6×10^-3，所以有

查表7-11得r_w=0.25，所以有

由于0.15<0.3，所以该计算是合理的。

查表7-12得、G_y=1，所以有

结论是状态Ⅰ时的噪声为91dB。

（2）状态Ⅱ时的计算

1）给定数据。除了下列数据外，其余数据与状态Ⅰ相同：

出口绝对压力，p₂=6.9bar=6.9×10⁵Pa；质量流量，m·=2.29kg/s。

2）计算。除了以下不同外，其余与状态Ⅰ的计算相同：

p_vcc=5.6×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

p_2C=7.2×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

7.2×10⁵>6.9×10⁵≥5.6×10⁵，故为状态Ⅱ。

查表7-11得r_w=0.25，所以有

由于0.17<0.3，所以该计算是合理的。

查表7-12得G_x=G_y=1，所以有

结论是状态Ⅱ时的噪声为93dB。

（3）状态Ⅲ时的计算

1）给定数据。除了下列数据不同外，其余数据同状态Ⅰ：

出口绝对压力，p₂=4.8bar=4.8×10⁵Pa；质量流量，m·=2.59kg/s。

2）计算除了以下不同外，其余与状态Ⅰ相同：

p_vcc=5.6×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

p_2C=7.2×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

p_2B=4.21×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

5.6×10⁵>4.8×10⁵>4.21×10⁵，故为状态Ⅲ。

F_d=0.30（同状态Ⅰ）

T_vcc=410K（同状态Ⅱ）

c_vcc=460m/s（同状态Ⅱ）

查表7-113得r_w=0.25，所以有

0.27<0.3，所以计算为合理的。

查表7-12得G_x=G_y=1，所以有

结论是状态Ⅲ时的振动噪声为97dB。

（4）状态Ⅳ时的计算

1）给定数据。除了以下数据不同外，其余数据同状态Ⅰ：

出口绝对压力，p₂=4.2bar=4.2×10⁵Pa；液体压力恢复系数，F_L=0.80；要求的流量系数C，C_V=40；质量流量，m·=1.18kg/s。

2）计算除了以下不同外，其余与状态Ⅰ的计算相同：

p_2B=4.2×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

p_2C=7.2×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

p_vc=1.0×10⁵Pa（同状态Ⅰ）

α=0.78（同状态Ⅰ）

p_2CE=5.8×10⁴Pa（同状态Ⅰ）

由于4.21×10⁵>4.2×10⁵>5.8×10⁴，故为状态Ⅳ。

D_j=7.8×10^-3m（同状态Ⅱ）

T_vcc=410K（同状态Ⅱ）

c_vcc=460m/s（同状态Ⅱ）

查表7-11得r_w=0.25，所以有

由于0.14<0.3，所以计算是合理的。

查表7-12得G_x=G_y=1，所以有

结论是状态Ⅳ时的噪声为90dB。

（5）状态Ⅴ时的计算

1）给定数据。除了以下数据不同外，其余数据同状态Ⅰ：出口绝以压力，p₂=0.50bar=5.0×10⁴Pa；质量流量，；阀出口直径，D=0.200m；液体压力恢复系数，F_L=0.80；要求的流量系数C，C_V=40；

2）计算除了以下不同外，其余与状态Ⅰ的计算相同：

p_2CE=5.8×10⁴Pa（同状态Ⅳ）。

因为5.8×10⁴>5.0×10⁴，所以为状态Ⅴ。

D_j=7.8×10^-3m（同状态Ⅳ）

T_vcc=410K（同状态Ⅱ）

c_vcc=460m/s（同状态Ⅱ）

查表7-11得r_w=0.25，所以有

因为0.29<0.3，所以是计算合理的。

查表7-12得G_x=（f_p/f_r）2/3=0.91、G_y=1，因此有

结论是状态Ⅴ时的噪声为100dB

（6）对带有渐扩管和高马赫数的阀的计算（仍为状态Ⅴ）

1）给定数据。除了以下数据不同外，其余数据同状态Ⅰ：

出口绝对压力，p₂=0.50bar=5.0×10⁴Pa；质量流量，；要求的流量系数C，C_V=40；管道内径，D_i=0.150m；缩流断面射流直径，D_j=6.8×20^-3m。

2）计算除了以下不同外，其余与状态Ⅰ的计算相同：

p_2CE=5.8×10⁴Pa（同状态Ⅳ）

因为5.8×10⁴>5.0×10⁴，所以为状态Ⅴ。

T_vcc=410K（同状态Ⅱ）

c_vcc=460m/s（同状态Ⅱ）

查表7-11得r_w=0.25，所以有

式中，M_j=M_j5=2.6；

因为0.89>0.3，要重新计算确定L_pAe，1m。

查表7-12得、G_y=1，所以有

假定β=0.93，则有

查表7-12得、G_y=1，所以有

结论是该工况下的噪声为101dB。

（7）多流路多级节流阀的计算

1）给定数据如下：

①阀数据：多流路多级阀内件球形阀阀公称尺寸，DN200；阀出口直径，D=0.200m；入口管道公称尺寸，DN200；出口管道公称尺寸，DN200；管道内径，D_i=0.200m；管壁厚度，t_p=0.008；互相独立且完全相同的流路数，N₀=432；最后一级总流路面积，A_n=6.44×10^-3m²；水力直径，d_H=0.0025m；计算出的流量系数C，C_V=81.5；最后一级液体压力恢复系数，F_Ln=0.98。

②流体数据：流体形式，气体；质量流量，；比热比，γ=1.31；入口绝对压力，p₁=70bar=7×10⁶Pa；出口绝对压力，p₂=14bar=1.4×10⁶Pa；入口温度，T₁=290K；入口密度，ρ₁=55.3kg/m³；分子质量，M=19.0kg/kmol。

③其他数据：实测大气压力，p_a=1.01325bar=1.01325×10⁵Pa；标准大气压力，p_s=1.01325bar=1.01325×10⁵Pa；

2）阀的计算程序同状态Ⅰ，以下例外：

用C_n代替C_o，查表7-9得N₁₆=4.89×10⁴，所以有

C_n=N₁₆A_n=4.89×10⁴×6.44×10^-3=310

应用最后一级滞止压力p_n取代p₁。

如果p₁/p₂≥2，则首先假设p_n/p₂<2。

p₁/p₂=5，故假设p_n/p₂<2。

如果p₁/p₂≥2且p_n/p₂<2，则用式（7-111）计算。

p_n<2p₂，所以用式（7-111）计算是合理的。

p_vcc=1.14×10⁶Pa

p_2C=1.2×10⁶Pa

α=0.97

p_2B=6.9×10⁵Pa

p_2CE=9.9×10⁴Pa

如果p₂≥p_2C，则为状态Ⅰ。

1.4×10⁶>1.2×10⁶，故为状态Ⅰ。

查表7-9得N₁₄=4.6×10^-3，所以有

U_vc=310m/s

W_m=1.1×10⁶W

T_vc=260K

c_vc=390m/s

M_jn=0.81

η1=4.6×10^-5

W_a=13W

f_p=28000Hz

0.16<0.2，所以计算是合理的。

L_pi=157dB

TL=-67dB

f_r=8000Hz

f₀=2400Hz

f_g=1600Hz

结论是该阀的噪声为91dB。

本节各计算式中的符号的意义和单位见表7-13。

表7-13 计算式中符号的意义和单位

（续）

注：1.标准气压是101.325kPa或1.01325bar。

2.下标1、2、3、4和5相应表示流态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

3.1bar=10²kPa=10⁵Pa。

4.为计算缩流断面压力及速度，本部分中假定气体压力恢复情况与液体相同。

5.声功率与声压一般经过对数换算以分贝形式表示，它们与参比标准有一定的对数关系，声压为2×10^-5Pa，声功率为10^-12W。