阀门气体内漏的声学特性及量化检测技术研究

发布时间：2020-10-27 19:13

　　 阀门作为一种通用的机械产品,在国民经济的各个领域被广泛应用,它的安全性一直是人们关注的焦点。阀门泄漏是阀门破坏的主要类型,泄漏分为外漏和内漏,阀门外漏引发的事故较多,不仅影响安全生产,而且对环境造成的危害较多,能量损失严重。人们对阀门外漏已相当重视,检测技术和手段也比较成熟。在用阀门的内漏一般较难发现,但却对阀门的安全运行产生重大影响,易造成突发的恶性事故,如工作介质被污染,某些火灾爆炸、中毒事故都是由阀门内漏造成的。阀门内泄漏的检测尚缺少有效的手段,多依靠人的感观和经验,判断起来缺乏科学的依据,因此迫切需要一种实用高效的阀门内漏检测技术。 阀门气体内漏是一喷流过程,伴随着喷射噪声的产生,利用声学方法可检测到这种噪声。本文以阀门气体内漏这一工程问题为背景,开展阀门气体内漏发声机理和内漏声源声学特性研究。从理论上证明了阀门气体内漏存在着喷流噪声,得到四极子声源强度与喷流速度的关系式。采用数值模拟方法深入研究了针阀、闸阀和球阀三种类型阀门气体内漏喷流流场和喷流声场的特性,得到阀门入口压力和阀门内漏间隙等参量对内漏喷流流场和喷流声场的影响。建立阀门气体内漏声学检测实验系统,完成针阀、闸阀和球阀三种阀门的声学检测实验,验证了数值模拟结果。根据实验数据,得到阀门内漏率的经验计算公式,实现阀门气体内漏的声学量化检测。本文的研究工作,为阀门气体内漏声学量化检测技术的应用与发展奠定了理论基础,具有重要的理论意义和工程应用价值。 论文的主要研究内容包括: 1.阀门气体内漏过程动态流体声源的发声机理和声学特性研究。应用气动声学、气体射流和涡运动等理论,对气体内漏过程动态流体源的发声机理和声源特性进行理论分析,根据阀门气体内漏的实际情况,确定可用四极子声源近似表示阀门气体内漏喷流噪声源; 2.建立阀门气体内漏喷流噪声声源强度的流动参量描述方程。分析阀门内漏气体喷流流场和喷流声场的相互作用,应用气体喷流过程的流动方程和气动力声方程,建立了阀门气体内漏喷流速度与喷流噪声强度的关系式; 3.完成针阀、闸阀和球阀三种类型阀门在不同内漏状态下的气体喷流流场数值模拟与分析。利用CFD模拟软件,综合采用RNG k-ε模型和在近壁面区低Re数k-ε模型,对针阀、闸阀和球阀三种阀门气体内漏喷流流场进行数值模拟,得到不同内漏间隙和不同上游压力下三种阀门内漏喷流流场的分布规律; 4.根据轴对称气体喷流流场数值模拟结果的分析,得到喷流速度的分布规律。采用数值拟合的方法,建立了轴对称气体喷流速度分布函数。采用类似的方法,得到不同状态下三种阀门内漏喷流速度分布模拟函数; 5.建立阀门气体内漏喷流声场数值模拟方法。根据莱特希尔气动力声方程和喷流流动方程,建立考虑喷流速度影响的阀门气体内漏喷流声场控制方程。采用二阶精度加权平均隐格式有限差分方法,对阀门气体内漏喷流声场控制方程进行数值计算。计算边界综合采用无反射吸收边界和全反射壁面边界,同时对区域角点采用相应的处理方法,保证计算域的封闭。初始声源采用高斯型四极子声源作为压力脉动源; 6.完成针阀、闸阀和球阀三种类型阀门在不同内漏状态下气体喷流声场的数值模拟与分析。根据建立的阀门气体内漏喷流声场数值模拟方法,利用MATLAB数值计算软件编制数值模拟程序,得到不同内漏状态下三种阀门气体喷流声场的数值模拟结果; 7.阀门气体内漏声学检测实验研究。建立阀门气体内漏声学检测模拟实验装置,完成针阀、闸阀和球阀三种类型阀门气体内漏的声学检测实验。实验证明了阀门气体内漏过程中存在着喷流噪声,确定了三种实验阀门的最佳检测位置,得到了阀门内漏间隙和上、下游压力变化对阀门内漏喷流噪声强度和内漏率的影响规律。验证了气体介质在内漏过程中存在阻塞现象,得到阻塞状态下三种阀门气体内漏喷流噪声强度与内漏率间的关系; 8.根据阀门气体内漏喷流声场的理论分析、数值模拟和实验研究结果,建立阀门气体内漏率与内漏噪声强度间的计算公式,实现阀门气体内漏声学量化检测。
【学位单位】：大庆石油学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TH134
【部分图文】：

形边界进行积分，流体的净流率为 0，因为流入的流量等于流出的流量。但是流动与流出流动方向一致，它们的动量是相加的，所以该系统就存在一个净据牛顿定律，一定可以找到一个与偶极有关的力。偶极子声源的第二种描述是为是一个由振荡作用力驱动的球。两种描述下，在测量边界上的流体运动是等意到沿着动量变化或作用力的轴向存在着径向流动，可以推断那里的可压缩运波运动最大，而在与该轴相差 90°的方向上，没有径向运动存在。于是，该一个最大值的占据方向，而与轴垂直的方向上应该为零值。该声场的每一个声 180°，正象在声源处流体的流出流动和流入流动的相位差那样。偶极子声源图 1-2 所示[69]。

1.3 阀门气体内漏过程声源特性分析阀门气体内漏过程产生的主要声源是由高速喷流产生的喷流噪声。同时，由于受内部复杂固体流道边界的影响，将伴随有强涡流噪声。此外，由于内漏流道截面的变化，当截流口的上下游压力之比大于临界值（n≥1.893）时，出现阻塞现象，产生阻塞喷注噪声。这些噪声源共同作用，相互影响，使得阀门气体内漏声源特性分析十分困难。下面对这三种声源的特性进行分析，并结合阀门气体内漏喷流过程，分析实际内漏过程的声源形式。（c）四极子声源 （c）四极子声源(c) Quadrupole sound source (c) Quadrupole sound source图 1-4 三种基本声源解析解的表面图 图 1-5 三种基本声源等压线图Fig.1-4 The surface plot of three kinds of Fig. 1-5 The isobar plot of threebasic sound source analytic answer kinds of basic sound source

1.3 阀门气体内漏过程声源特性分析阀门气体内漏过程产生的主要声源是由高速喷流产生的喷流噪声。同时，由于受内部复杂固体流道边界的影响，将伴随有强涡流噪声。此外，由于内漏流道截面的变化，当截流口的上下游压力之比大于临界值（n≥1.893）时，出现阻塞现象，产生阻塞喷注噪声。这些噪声源共同作用，相互影响，使得阀门气体内漏声源特性分析十分困难。下面对这三种声源的特性进行分析，并结合阀门气体内漏喷流过程，分析实际内漏过程的声源形式。（c）四极子声源 （c）四极子声源(c) Quadrupole sound source (c) Quadrupole sound source图 1-4 三种基本声源解析解的表面图 图 1-5 三种基本声源等压线图Fig.1-4 The surface plot of three kinds of Fig. 1-5 The isobar plot of threebasic sound source analytic answer kinds of basic sound source
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本文编号：2858930