一种基于数值模拟的弯头气动噪声直接计算方法

本发明涉及天然气站场管件气动噪声，特别是涉及一种基于数值模拟的弯头气动噪声直接计算方法。

背景技术：

1、天然气站场是天然气接收、运输、调节、配送的重要场地，它的主要作用是：对进入站场的天然气进行接收、增压、分输、储配与调节储气峰值以及接收和发送清管器。与其他能源相比，天然气是一种更为高效的清洁能源，因此它被广泛应用于化工原料、民用、商业等方方面面。其开发利用越来越受到世界各国的重视。全球范围来看，天然气资源量要远大于石油，发展天然气具有足够的资源保障。

2、目前，随着技术的不断进步，国内天然气开采量不断增加，输气管道事业随之发展迅速，但由于输气站场系统错综复杂，从而产生了一些噪声问题，日益严重的站场噪声问题得到了相关人员的广泛关注。在实际站场中，由于站场设计工况与实际运行工况存在一定的不适应性，站内设备间距和布置存在一定的不合理性导致天然气站场噪声超标。噪声超标使得站场工艺组件出现振动，对站场设备、管件的正常运行有一定影响。按照噪声的物理特性，天然气站场噪声可分为以下三类：气体动力性噪声(简称气动噪声)、机械噪声、电磁性噪声。其中，工艺管道及设备产生的气动噪声是天然气站场的主要噪声源。

3、气动声学具有复杂性和多变性，这使得研究具有一定难度。目前，对气动噪声的研究中使用最多的方法为数值模拟，这种方法更为便捷有效，随之形成了计算气动声学((computational aeroacoustics，简称caa)。caa不仅可以对流场和声场进行合理的预测，还可以较好的捕捉辐射声场的信息并精确的计算流场特性。目前为止，caa法可以解决气动声学中的大部分问题。caa是通过求解navier-stokes方程来预测流场和声场的，想要得到流场和声场的准确信息，就必须精准的进行模拟，但是声波的频率范围很宽，因此，这是计算的难点。而现在只有直接数值模拟法((dns)与大涡模拟((les)能够做到。众多成功的仿真模拟使人们看到了dns法处理噪声的美好前景，但是dns法对计算机的性能要求太高，所以现在只能针对低雷诺数或流场中简单的几何结构的时候加以运用，但是在工程实际中运用较为困难。并且数值模拟对计算机的精度有一定要求，且计算量较大、耗时较久，目前该方法在天然气站场的气动噪声研究中使用较少，更没用一种快捷的计算方法。因此，对天然气站场弯头气动噪声的研究目前依然具有难度，我们需要一种能够适用于站场弯头气动噪声的数值计算方法，研究更为快捷的计算方法并得到与计算机数值模拟结果近似相等的气动噪声数值是研究的关键。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明的目的在于：在满足国家相关标准的前提下，提出一种基于fluent数值模拟的弯头气动噪声数值直接计算方法，在保证结果与数值模拟方法所得结果相匹配的基础上，达到快速预测噪声数值的目的。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于fluent数值模拟的弯头气动噪声数值直接计算方法，具体方案如下：

3、(1)选取天然气站场内噪声严重超标的弯头部分为研究对象，确定该弯头管段处管道半径以及其弯曲角度、曲率半径、入口流速和工作压力。

4、(2)对该弯头管段气动噪声数值进行现场监测，得到现场实际气动噪声数值，后期与fluent数值模拟结果进行比对，控制数值模拟结果误差进而达到控制本发明的结果误差，要求误差控制在5％以内。

5、(3)以上述弯管作为气动噪声研究管件，采用3d建模软件构建弯管物理模型并进行网格划分，为保证模拟结果的准确性，对弯头部分进行加密，要求弯头部分max size＝0.011，定义网格全局参数max element＝0.015，mesh type采用quad dominant，meshmethod为patch dependent。

6、(4)将上诉弯头管段导入fluent中进行数值模拟，将弯管气动声源等效为点声源建立声学模型，采用les模型与fw-h声学模型，定义弯头部分为声源，选取弯头部分入口截面、中心截面和出口截面上各四个点作为噪声接收点进行监测，随后进行模型的离散算法设置，其中压力——速度耦合算法采用piso算法，压力离散采用presto！法，入口定义为速度入口，出口定义为压力出口，模拟最终得到各监测点声压等级分布情况及气动噪声数值，将其与现场实际监测模拟结果进行比对，误差控制在5％以内。

7、(5)分别改变弯管流场参数中的入口速度、出口压力，弯头弯曲角度、曲率半径，得到不同流动速度、出口压力以及不同弯曲角度、曲率半径下弯头部分各监测点气动噪声数值。

8、(6)确定所有监测点的声压级极值，选择所有监测点中声压级极值最大的监测点的结果作为参考进行拟合，得到弯头声压级随气体入口速度、出口压力、弯曲角度以及曲率半径的函数变化关系，具体计算公式如下：

9、fdb＝4.42v0.99+8.467p1.19+6.2517r0.46-115.386α

10、式中，v(为弯管入口气体流速；p(为弯管出口气体压力；r(为弯管弯曲角度；α为弯管曲率半径。

11、(7)将入口流速、出口压力、弯曲半径和弯曲角度四个参数代入上述公式进行计算，得到气动噪声数值，将该数值与数值计算结果进行比对，确定该公式的准确性。

12、数值模拟对计算机的精度有一定要求，且计算量较大、耗时较久，不同于与目前的数值计算法，本发明提供的一种基于fluent数值模拟的弯头气动噪声数值直接计算方法，该方法在保证了计算数值准确性的同时还提高了计算效率，最大程度降低了数值计算的成本。

技术特征：

1.一种基于数值模拟的弯头气动噪声直接计算方法，其特征在于：该计算方法综合考虑了流体入口速度、出口压力、弯头弯曲角度以及曲率半径对弯头管段气动噪声的影响，得到了气动噪声数值与上述四个主要影响因素的变化关系式，能够用于计算，适用于天然气站场弯头的气动噪声数值计算，计算过程主要包括以下几个步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于数值模拟的弯头气动噪声直接计算方法。其主要步骤为：首先确定站场内噪声超标处弯头管段的特征参数和运行工况；然后对该弯头进行现场监测，得到气动噪声数值；进一步对上述模型进行3D建模、网格划分和数值模拟；随后将弯管气动声源等效为点声源进行模拟，定义弯头部分为声源并定义噪声接收点进行监测，最终得到各监测点声压级数值；然后改变弯管的运行工况和结构，分别得到各监测点气动噪声数值；进一步确定所有监测点的声压级极值，选择声压级极值最大的监测点结果作为拟合值，得到弯头声压级随气体上述四个变量的函数关系式；最后选一组数值代入公式计算，得到结果，达到快速计算气动噪声数值目的。

技术研发人员：李长俊,张杰桢,陈超,贾文龙,吴瑕
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16