胡宝、胡权 陈霞举
浙江展旭德自控阀门有限公司 浙江省温州 325000
摘要：气动截止阀的流动特性能够反映出阀门的各项性能指标，截止阀在正常运行时出现的噪音会对周围环境造成非常大的负面影响。本文通过对大通径气动截止阀展开分析，并对大通径气动截止阀启闭过程流动特性及低噪声优化进行研究，希望为关注气动截止阀的人群带来参考。
关键词：气动截止阀；流动特性；噪声优化
引言：大通径气动截止阀属于管道系统中非常重要的截断类型阀门，截止阀工作时会产生非常严重的噪声与振动，噪声、振动产生的负面影响能够降低阀门的使用寿命。因此，有必要对气动截止阀启闭过程流动特性及低噪声优化展开分析。
一、气动截止阀噪音性能分析
气动截止阀的噪音是由空气噪音与振动噪音组成的，其中空气噪音来源于气动流动时产生的冲击，当气流受到阻碍时，就会出现气体湍流的现象，当湍流现象产生的脉动频率达到可听频率之后，就会引发湍流噪音。而气动截止阀的振动噪音则是在湍流噪音频率与零件频率重合后引发的共振现象，振动噪音出现后能够引发材料疲劳、零部件力学性能降低等情况，缩短气动截止阀的零件寿命。
二、模型分析
气动截止阀由阀体、电动装置等零部件组成，其通径为DN32，空气介质会从阀芯下部分流入。为了能够准确掌握气动阀内气体的流动情况，并以此来模拟出气动截止阀运行过程中的噪音特性，可以在阀门出、入口位置处额外增设管道模型。其中上下游的管道长度都能够达到气动截止阀通径的三倍。截止阀门开度的初始值为22毫米，其模型流道选用了非结构化四面体网格，并且还会在阀口等位置处进行局部加密。研究过程中需要选用k-epsilon模型，而且为了保证气体的可压缩性，需要将空气作为流动介质并将密度设置为理想气体，
三、瞬态仿真结果探析
气动截止阀无论是开启还是关闭都具有对称性，为了能够直接反映出气动截止阀的流动特性变化，需要将气动截止阀的截面作为分析目标。
（一）气动截止阀关闭过程中的速度分析
气动截止阀关闭过程中其内部流体速度在两个位置处存在非常明显的增长趋势，从而导致速度梯度增加。第一处高速区在介质经过阀口时出现，因为在阀瓣的关闭过程中，阀口位置处的面积会大幅度缩小，此时流体从相对较小的阀口间隙处流过时，会因为挤压效应而发生射流现象，而且随着开度不断减小，流体流速则会提升得越来越快。而第二处高速区则出现在气体经过管道之前的拐角位置处，因为从阀口位置处流出的高速流体会直接冲击到出口的拐角位置，因此其速度会骤然提升，而且速度提升的同时还会产生非常巨大的冲击力。除此之外，阀门开度缩小还会导致最大速度的下降，因为阀口开度降低之后，阀口位置处的流通面积也会随之降低，此时流体的流量也会下降，然而流通经过出口拐角时的过流面积并不会发生改变，所以会导致速度下降[1]。
经过对下游流体流速分布观察后可以发现，流道中的上方流速远超下方流速，当阀门开度提升之后，二者之间的流速差值则会不断升高，通过这种现象可以判断出流动分离区。流动分离区的出现能够缩小有效流通面积，并在阀门中产生与高速射流类似的高速流动区以及低速流动区，而且流动分离区的周围还具有很高的速度梯度，能够产生流动脉动。除此之外，从阀口到下游流道下壁面的过渡如果不够平缓，则气体在通过阀口之后就会加快流动分离区的出现，从而导致气动截止阀出现更大的湍流噪音。
（二）气动截止阀关闭过程中的湍流动能分析
气动截止阀关闭过程中其最大湍流动能产生在阀门出口处并靠近阀口的位置。通过对速度、湍流动能的对比之后能够发现，截止阀湍流动能最强的位置并不是速度最快的位置，反而是速度梯度差异最大的位置。因为湍流动能是因为速度发生变化而出现的，所以湍流动能高的位置必然具有较大的速度梯度，这也证明了流动脉动的出现是由速度变化而引起的。所以气动截止阀低噪声优化的核心基础便是降低阀门内部的速度变化梯度，通过减轻甚至消除流动分离区能够提升阀门中的有效流通面积，降低湍流噪音。
（三）气动截止阀关闭过程中的压力分析
气动截止阀从入口区到出口区的压力分布会逐渐下降，入口位置处并不会出现较大的压力分布变化，压力明显下降通常会发生在阀口位置处以及阀门出口拐角。其中阀口位置处的压力下降幅度最大，而且在阀门开度缩小直至关闭之后，压力下降的幅度也会得到提升，出现这种现象的原因为在阀门关闭时，阀瓣与阀座之间会出现小型间隙，通过间隙能够使阀口位置处的流动阻力提升。阀瓣关闭时，阀瓣出口以及管道前的拐角位置会出现低压区域，最低压力则会在拐角位置出现，并且该区域属于负压区。因为该区域出现了最大速度值，动压会在该处达到最大，因此与之对应的静压则会下降到低点。
四、低噪声设计
优化设计可以在出口位置处加装导流挡板，挡板上部为密集且细小的导流孔，下部则为疏松且较大的导流孔。这种设计方式会导致上部挡板具有更强的节流作用，当下部气体流量提升后就会使流道内的流量变得更加均衡，从而使流动分离区缩小，起到降低气动截止阀噪音的目的。开展低噪声设计时需要考虑工艺水平以及装配时的可操作性，在加入挡板时需要保证挡板截面小于气动截止阀的流道最小面积，以此来保证挡板能够放入到阀体内部，安装挡板时可以将其法兰与阀体法兰用螺钉进行连接，导流挡板法兰的内嵌式安装并不会对阀体与下游管路的连接带来影响。除此之外，为了确保导流挡板不会影响到气动截止阀的流通能力，还可以适当提升阀体下游流道的横截面，导流挡板的添加能够起到缓和气动截止阀内部流速的作用，因此可以有效降低截止阀噪音[2]。
结论：总而言之，气动截止阀的低噪声优化设计非常重要，通过降低气动截止阀运行过程中产生的噪音能够大幅度提升截止阀的运行稳定性。相信随着更多人了解到气动截止阀噪音带来的危害，气动截止阀低噪声优化一定会变得更加完善。
参考文献：
[1]尚群立,李梦强,张晶瑜.气动截止阀机理建模及其在阀门故障诊断中的应用[J].浙江工业大学学报,2020,48(02):154-158+216.
[2]徐文涛,高隆隆,李宝仁.大通径气动截止阀启闭过程流动特性研究及低噪声优化[J].液压与气动,2020(01):15-20.