0 引言

截止阀具有制造简单、价格便宜、调节性能好等特点，被广泛应用于船舶的海水、液压、滑油、空气等管路系统，起到改变管路断面和介质流动方向，控制输送介质流量与压力等作用^[1-3]。截止阀可分为直通式、直角式和直流式^[4]。而直通截止阀主要用于直线管路，特点是便于施工操作，但由于直通截止阀的内部结构相对于管路系统的其它结构远为复杂，因此对管路系统的内部流场有较大影响，它不仅可以降低流体的流速和流量，还会由于漩涡不稳定分离、湍流脉动等非定常因素导致流场压力发生脉动，进而导致管路系统的振动噪声^[5-7]。

因此，本文选取实际装有CB855A-DN80直通截止阀的管路系统为研究对象，应用计算流体力学通用软件Fluent，采用大涡模拟算法进行流场与水动力噪声分析，预报直通截止阀的流阻系数、管路系统的流场压力、流场流速和水动力噪声情况，旨在为保证CB855A-DN80直通截止阀在舰船管路系统的顺利应用奠定技术基础。

1 有限元模型的建立

本文应用Fluent有限元软件，建立的管路系统仿真计算模型如图 1所示。该管路系统包括管路与阀门2部分，其中直通截止阀的型号为CB855A-DN80，管路直径80 mm，阀道入口前的管路长度取阀道入口直径的5倍，阀道出口后的管路长度取阀道出口直径的10倍。采用四面体与六面体混合网格结构类型进行网格化分。在边界条件设置时，入口采用速度入口边条，给定所要求的入口处速度值，出口采用OUTFLOW边条；阀体与阀芯的壁面采用固壁边界条件，同时在数值计算中采用壁面函数的近壁处理方法。流道内流体温度设定为15 ℃，密度为1 025.9 kg/m³，物理粘度为1.188 3 × 10^-6m²/s，流速分别设定为0.97 m/s，1.93 m/s，3.09 m/s。

2流场分析

结合流场数值仿真计算，根据国家行业标准《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》（JB/T 5296-91）对各型阀门流阻系数计算公式（1）的规定，算出该管路系统的流阻系数：

$ {{K}} = \frac{{2 \Delta {{P}}}}{{{\rm{\rho }}{{{v}}^2}}}\text{。} $

(1)

式中：ΔP为水流经阀门时的压力降；ρ为流体密度；v为流体速度。

为更好地描述该管路系统的流场压力和流速分布情况，从阀道出口位置开始，每隔1倍管径距离，将右侧管道内流体依次划分为11个剖面，具体如图 2所示。

为更好地描述流场压力情况，引入压力平均值、压力均方根和无量纲压力均方根的公式如下：

$ {p_{mean}} = \frac{1}{A}\int_A {p{\rm d}a} \text{，} $

(2)

$ {p_{rmse}} = \sqrt {\frac{1}{A}\int_A {{{\left( {p - {p_{mean}}} \right)}^2}{\rm d}a} } \text{，} $

(3)

$ C{p_{rmse}} = \frac{{{p_{rmse}}}}{{0.5\rho {v^2}}}\text{。} $

(4)

式中：ρ为流体密度，v为入口速度。

2.1 流阻系数分析

流阻系数是反映阀门对流场影响的重要指标，体现了阀门对管路系统造成的压头损失。直通式截止阀（CB855A-DN80）流阻系数计算结果见表 1。

由表 1可知，直通式截止阀（CB855A-DN80）的流阻系数随流体流速的增大呈逐渐减小的趋势，但数值变化不大。当流速为0.97 m/s时，阀门的流阻系数为最大值5.2。

2.2 流场压力分析

当流场流速分别为0.97 m/s，1.93 m/s，3.09 m/s时，整个管路系统的流场压力分布情况如图 3所示。由图 3可知，在这3种流速下，流体压力的分布趋势相同。对于流向阀门的流体压力来说，由于流体流速恒定，因此远离阀道入口处的流场压力比较稳定。阀道入口弯管段的流场压力梯度较大，其中弯管上部的流体压力较小，而弯管下部的流体压力较大，这是由于阀门入口段的弯管结构阻碍了流体的流动方向，使得流体在流道内产生紊流引起的。阀芯四周的流场压力较小，而阀道出口段的流场压力最小。这是由于阀芯阻碍了流体的流动，使得流体在负压的作用下流体压力变小。

为进一步掌握阀道出口右侧的管内流场压力分布情况，图 4显示了各剖面位置的流场压力分布情况。从图 4可以看出，阀道出口附近的流场压力波动较大，随着距阀道出口距离的增大，同一剖面的流场压力逐渐趋于平稳。

通过提取各剖面的流场压力数据，并绘制压力均方根、无量纲压力均方根与流场剖面位置（0 -10D）的关系曲线如图 5和图 6所示。

由图 5可知，从整体上来说，当流速分别为v=0.97 m/s，v=1.93 m/s，v=3.09 m/s时，3条压力均方根曲线的变化，均呈现逐渐下降的趋势。在管路出口段0~5D区间范围内，流场压力均方根变化梯度较大，尤其是流速V=0.97 m/s时的流场压力均方根变化梯度最大。在管路出口段7~10D区间范围内，流场压力均方根变化趋于平稳，且3条压力均方根曲线几乎重合在一起。

由图 6可知，从整体上来说，当流速分别为v=0.97 m/s，v=1.93 m/s，v=3.09 m/s时，3条无量纲压力均方根曲线的变化趋势相同，均呈现逐渐下降的趋势。在管路出口段4~10D区间范围内，流体的无量纲压力均方根数值相接近，3条曲线几乎重合在一起。

2.3 流速分析

整个管路系统的流体流速分布如图 7所示。由图 7可知，靠近阀芯左下角有一个明显的小漩涡，而在阀芯四周（图 7中阀芯左侧位置）有一个大漩涡。阀门进口段的流体流速方向一致，而靠近圆弧上壁的流速略为偏大。在阀芯右下角出口附近，由于流道截面积突然变小，使得流体的流速迅速变大。阀门出口段的流体由两部分构成，一部分来源于阀门入口段的流体，另一部分来源于阀芯四周的流体，两者的流向均是从两侧逐渐向中心合龙。

3 水动力噪声声压级分析

当流速分别为v=0.97 m/s，v=1.93 m/s，v=3.09 m/s时，整个管路系统的水动力噪声声压级如表 2所示。由表 2可知，随着流体流速的增大，整个管路系统的水动力噪声声压级逐渐增大。

图 8显示了整个管路系统的水动力噪声声压级分布情况。由图 8可知，当流速分别为v=0.97 m/s，v=1.93 m/s，v=3.09 m/s时，整个管路系统的水动力噪声声压级分布趋势相同，即阀门内的水动力噪声声压级分布情况复杂，且水动力噪声声压级数值较大，这是由于阀门内流体压力和速度变化较大，且阀芯四周存在涡流现象造成的。可见直通截止阀引起的流体噪声是整个管路系统的主要噪声，因此，消除直通截止阀引起的流体噪声是管路系统降噪的重点。

4 结语

1）直通式截止阀的流阻系数随流体流速的增大呈逐渐减小的趋势，但数值变化不大。

2）在阀芯右下角出口附近，由于流道截面积突然变小，使得流体的流速迅速变大。

3）随着流体流速的增大，水动力噪声声压级逐渐增大。