引言汇管是天然气场站中最重要的设备之一，具有缓冲、稳压的作用和压力高、流量大的特点。随着我国用气需求增加，许多场站在高负荷运行时汇管出现噪声超标的现象，对周边环境及场站操作人员的身心健康造成影响[1]。国内外学者对天然气场站噪声的产生机理及降噪问题进行了研究。Cabelli[2]等对管道进行二维声学求解，得到声的反射向量和与透射相关的传递矩阵，分析弯头几何参数对噪声的影响规律。Feng[3]对管道噪声的计算值与实测值进行比较，发现高频噪声易衰减且易被吸收，并据此提出在管道内壁涂吸声油漆的方法，以降低高频噪声。刘翠伟[4]等对输气管道及阀门流噪声问题进行数值模拟，流体涡流和流体与壁面之间的相互作用是管道流噪声产生的主要原因，且管道主噪声源的类型为偶极子声源。徐雅雯[5]运用CFD研究场站内阻力部件（连续弯头、三通、汇管）的噪声随汇管进出口相对位置和出口管个数的变化规律，并根据汇管的运行特性设计一种减缩式多孔消声器，达到了较好的降噪效果。目前国内外学者对天然气场站降噪问题的研究更多地集中在多孔消声器、管道包扎等被动降噪方面，降噪效果明显，但同时带来了成本增加、影响仪表安装、泄漏隐患等弊端[6-7]。因此，运用Fluent软件，通过调整汇管模型的结构参数、运行条件等，优化汇管内的天然气流动情况，并为同类型汇管在设计加工阶段提供优化指导。1模型建立1.1几何模型以济南市某天然气高中压调压站汇管作为研究对象进行几何建模，济南市某天然气高中压站汇管结构如图1所示。汇管包括进口管、出口管及法兰等部件，进口管管径为DN400，出口管管径为DN500，预留调压计量路和预留出口管管径均为DN400。为了方便建模及网格划分，对模型进行简化。忽略法兰处的外露螺纹等结构，减少细小尺寸的产生；将汇管进口管前端的节流设施做直管段处理，保证气流进入汇管时稳定；针对未工作的进口管，在法兰处做壁面处理。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F001图1济南市某天然气高中压站汇管结构（单位：mm）根据汇管的安装尺寸，建立汇管的三维模型，汇管模型及监测点分布如图2所示。汇管中心点设为坐标原点，在汇管内z=0截面上设置13个监测点，用于运行时声信号的采集。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F002图2汇管模型及监测点分布1.2数学模型汇管内噪声主要由天然气流动时与管道壁面发生碰撞、摩擦、振动等相互作用和流体自身紊流产生不稳定的压力脉动引起[8]。因此，确定合适的声学模型和流动模型是数值模拟的关键。1.2.1声学模型Fluent中提供3种计算流噪声的方法，分别为直接法、基于声学类比的积分法和基于宽频噪声源模型法。直接法需要控制方程的精确时间解，对网格精度的要求非常高，计算成本极大；基于声学类比的积分法将流动过程和声波计算过程分离，对计算精度的要求降低；宽频噪声源模型对计算资源的需求最小，但宽频噪声无明显的音调，在分析噪声特性方面存在明显的局限性。文中选择基于声学类比的积分法进行噪声计算，Fluent中提供FW-H积分法，该方法采用Lighthill声学类比的一般形式，利用广义函数法并考虑运动固体对流噪声的影响进行推导，表示为[9]：1a02∂2p'∂t2-∇2p'=∂∂tρ0νn+ρun-vnδf-∂∂xiPijni+ρuiun-vnδf+∂2∂xi∂xjTijHf (1)式中：un——流体速度分量，m/s；vn——表面速度分量，m/s；p'——远场声压，Pa；Pij——压应力张量；δf——狄拉克三角函数；Hf——赫维赛德函数；t——时间，s；a0——远场声速，m/s；ρ0——远场流体密度，kg/m3；ni——指向源表面外部方向的单位法向量；ρ——流体密度，kg/m3；Tij——Lighthill应力张量，Pa。1.2.2湍流模型对汇管内流场分别进行稳态和瞬态模拟，通过稳态模拟，得到流场分布和噪声源区域，确定监测点的设定位置；通过瞬态模拟，为噪声计算提供满足精度的时间域上的相关变量。标准k-e模型属于高雷诺数模型，分子黏度的影响忽略不计。与标准k-e模型相比，RNG k-e模型考虑了湍流漩涡问题，在湍流耗散的输运方程（ε方程）中提供了低雷诺数流动黏性的解析公式[10]。由于汇管两端存在低速流区，湍流方程选择RNG k-e模型具有更高的可信度。汇管内噪声的计算需要流场变量在时间域上的精确解，Fluent中提供3种获取时间精确解的湍流模型，分别为大涡模拟(LES)、非定常雷诺平均N-S(URANS)方程和混合RANS-LES模型。LES模拟通过滤波方程，将小尺度“涡”用模型封闭，对大尺度“涡”进行直接模拟，精度最高、所需计算资源最大。URANS方程和混合RANS-LES模型，所需计算资源较少，但计算精度相应降低，综合考虑计算域的复杂程度和计算周期，选择LES模型作为汇管内非稳态模拟的湍流方程。2模拟结果与分析模拟汇管在设定工作压力和最大工作流量的工况，即出口压力为0.39 MPa，流量为50 000 m3/h。入口边界设为速度进口，进口速度v由总流量计算；出口边界设为压力出口；流体介质选择CH4，密度设为常数。2.1汇管参数及运行方式对噪声的影响2.1.1曲率半径汇管与进、出口管的常见连接方式为焊接、拔制，汇管与进、出口管连接方式如图3所示。D0为汇管管径，d0为出口管管径，r0为出口管处曲率半径，单位均为mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F003图3汇管与进、出口管连接方式出口管处曲率半径对噪声的影响，受汇管的许用应力、开孔率等问题限制，《工业金属管道设计规范》（GB 50316—2000）规定，曲率半径取值范围为0.05d0≤r0≤0.10d0+13。文中r0为25~63 mm。以2#管作为进口管，r0分别取25 mm、38 mm、50 mm、63 mm进行模拟。通过模拟计算，得到不同曲率半径出口管处的速度云图和汇管内声压级对比图。不同曲率半径对出口管处速度的影响如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F004图4不同曲率半径对出口管处速度的影响由图4可知，出口管曲率半径会影响汇管与出口管连接处的流场分布。气流由汇管进入出口管，在与汇管接口处的来流方向上速度增大，在出口管管段速度减小。出口管采用焊接方式连接时(r0=0)，气流涡流作用与压力脉动更强烈，出口管内的高速流和低速流区均较大，速度分布不均匀；随着曲率半径增大，出口管内高速区与低速区逐渐减小，速度分布逐渐均匀。不同曲率半径汇管内声压级对比如图5所示。不同曲率半径汇管内声压级最大值与平均值如表1所示。出口管曲率半径会影响噪声的声压级，不同曲率半径的汇管噪声声压级随频率的变化趋势整体相同，汇管内噪声声压级的最大值和平均值均随出口管曲率半径的增大而减小。r0=63 mm时，与焊接方式相比，噪声的声压级的最大值、平均值分别下降约7.1 dB、2.6 dB。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F005图5不同曲率半径汇管内声压级对比10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.T001表1不同曲率半径汇管内声压级最大值与平均值声压级曲率半径025 mm38 mm50 mm63 mm最大值97.492.992.391.990.3平均值56.554.754.454.253.9dB2.1.2进口流量比汇管采用“两进一出”的运行方式时，不同的进口流量比改变了汇管内的流动状态，进而影响噪声的产生。以1#、3#进口管同时作为气流入口，进口流量分别为Q1、Q3，保证总流量不变，对不同的进口流量比进行数值模拟。不同进口流量汇管z=0截面出口管处速度如图6所示。不同进口流量汇管内声压级对比如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F006图6不同进口流量汇管z=0截面出口管处速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F007图7不同进口流量汇管内声压级对比由图6可知，Q1∶Q3=1∶2时，气体在来流方向上均得到了较好的缓冲，进入出口管时速度较低，涡流作用和压力脉动较弱，流动稳定性最好；Q1∶Q3=1∶0时，气流全部从1#进口管流入，流道短，气流未来得及缓冲稳压就流入出口管，在出口管处产生了较强的压力脉动与涡流作用，存在高速流区，流动极不稳定。不同流量比汇管内声压级最大值与平均值如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.T002表2不同流量比汇管内声压级最大值与平均值声压级不同流量比0∶11∶41∶31∶21∶12∶13∶14∶11∶0最大值94.693.285.585.085.688.893.496.1101.1平均值52.952.451.048.951.756.857.358.162.3dB由图7、表2可知，随着1#进口管流量占比的增大，汇管内产生的噪声声压级呈现先减小后增大的趋势，Q1∶Q3=1∶2时，噪声声压级的最大值和平均值最小，与Q1∶Q3=1∶0时相比，声压级的最大值、平均值分别降低16.1 dB、13.4 dB。2.2降噪方案汇管降噪分为主动降噪和被动降噪。主动降噪通过改变汇管的结构参数、运行条件等，降低气流速度和流动不均匀性；被动降噪利用吸声材料对管道声源部位进行包裹，阻断噪声传递[11-12]。以1#管与3#管同时作为进口管、流量比Q1∶Q3=1∶2、拔制出口管曲率半径取r0=63 mm作为汇管运行的降噪方案，降噪方案运行与最不利运行速度场分布与声压级对比图，分别如图8、图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F008图8降噪方案运行与最不利运行速度场分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.004.F009图9降噪方案运行与最不利运行声压级对比由图8可知，汇管在降噪方案下运行时，气流在出口管处速度分布均匀，且平均流速较低，未形成高速流区，气流产生的涡流作用与压力脉动较弱，产生的噪声值也将很小。由图9可知，降噪方案运行的噪声声压级整体低于最不利运行条件的值，声压级的最大值为81.5 dB，平均值为45.5 dB。与最不利运行条件下的汇管噪声产生情况相比，声压级的最大值、平均值分别降低19.6 dB、16.7 dB，达到了较好的主动降噪效果。3结语（1）汇管内噪声的发生区主要分布在出口管内及进出口管和汇管的连接处，噪声声压级在出口管处最大，且随出口管曲率半径的增大而减小。与焊接管相比，拔制出口管r0取63 mm时的声压级的最大值降低7.1 dB。（2）不同进口流量比对汇管噪声产生影响，随着1#进口管流量占比增加，噪声声压级先减小后增大。Q1∶Q3=1∶2时，噪声声压级的最大值、平均值最小；r0取63 mm时，汇管内噪声声压级的最大值、平均值分别降低19.6 dB、16.7 dB。可作为汇管优化设计和运行时的降噪方案，主动降噪效果明显。