船舶凝水調(diào)節(jié)管道新型節(jié)流孔板設(shè)計(jì)研究

楊元龍

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064）

引 言

船用凝水調(diào)節(jié)管道節(jié)流孔板是在一定壓力條件下對管道中流體進(jìn)行限流降壓的特種設(shè)備［1］。由于節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)與凝水系統(tǒng)管路運(yùn)行參數(shù)匹配性差，導(dǎo)致流體汽蝕而引起管道劇烈振動(dòng)和噪聲的事故在船舶行業(yè)頻繁發(fā)生，而節(jié)流孔板汽蝕的誘發(fā)機(jī)理復(fù)雜，表征形式多元化［2－4］。同時(shí)，由于船舶凝水管系上配置大量直角彎頭、三通等管件，孔板對流體節(jié)流降壓，促使流體流速升高，對局部管件產(chǎn)生極大的沖擊動(dòng)量而誘發(fā)管件壁厚減?。?］。因此船舶凝水調(diào)節(jié)系統(tǒng)管路上節(jié)流孔板設(shè)計(jì)的不合理必然會(huì)導(dǎo)致管路劇烈振動(dòng)噪聲并誘發(fā)局部管件失效，進(jìn)而極大影響了船舶凝水系統(tǒng)管路的安全性和穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及節(jié)流特性做了大量研究［6－20］。大多學(xué)者依據(jù) “防止孔板汽蝕，避免振動(dòng)噪聲”原則進(jìn)行孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鮮有涉及考慮降低沖擊管壁動(dòng)量的研究報(bào)道。實(shí)際上，“防止孔板汽蝕”與 “降低沖擊管壁動(dòng)量”是交互耦合的設(shè)計(jì)體系。本文基于消聲器減振降噪機(jī)理，提出斜孔對沖式節(jié)流孔板，引入伯努利方程和阻塞壓差計(jì)算方法，進(jìn)行節(jié)流孔板孔徑、級數(shù)和厚度的校核計(jì)算，得到適用于凝水調(diào)節(jié)管道的斜孔式多級節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)，并利用CFD手段對所設(shè)計(jì)的單級和二級斜孔式孔板節(jié)流特性進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，分析了節(jié)流孔板局部壓力場和流速場的變化特征和影響因素，最終提出具有 “防振降噪，減少管路沖刷”功能的新型斜孔式多級節(jié)流孔板。

1 多級斜孔式節(jié)流孔板設(shè)計(jì)

1.1 基本控制方程

為防止高壓凝水系統(tǒng)節(jié)流孔板誘發(fā)汽蝕而產(chǎn)生管路高頻振動(dòng)和尖銳噪聲，需配置多級節(jié)流孔板；基于消聲器的原理，利用多個(gè)小節(jié)流孔代替大節(jié)流孔，將聲波中駐波演變成行波，降低噪聲峰值頻率；由于節(jié)流孔板下游為直角彎頭，為降低節(jié)流后的流體對管道及彎頭的沖擊強(qiáng)度，小節(jié)流孔采用斜孔對沖布置形式，使流體射流能量相互抵消，降低流體沖擊動(dòng)能。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 節(jié)流孔徑計(jì)算 基于伯努利方程可知，孔板節(jié)流孔總面積計(jì)算式為

根據(jù)斜孔式節(jié)流孔板設(shè)計(jì)機(jī)理，為平衡斜孔對沖射流能量對稱分布，使得能量徑向分量相互中和抵消，各級孔板上節(jié)流孔沿軸線對稱布置且孔徑均相等。因此節(jié)流圓孔直徑為

1.2.2 節(jié)流孔數(shù)量配置 為降低節(jié)流孔對沖射流能量，減小節(jié)流孔板軸向流體流速，沿軸向各級孔板上節(jié)流孔總面積逐漸增大，因此孔板上斜孔數(shù)量按照等差遞增級數(shù)方式對稱配置，即

1.2.3 孔板級數(shù)匹配 將節(jié)流孔板發(fā)生汽蝕時(shí)的流體臨界壓降為阻塞壓差，阻塞壓降的表達(dá)式為

臨界壓力比系數(shù)計(jì)算式為

滿足阻塞壓降的判定條件下，由流體質(zhì)量守恒可知

各級孔板壓差匹配關(guān)系式為

1.2.4 孔板厚度的校核 節(jié)流孔板厚度計(jì)算校核的計(jì)算式為

2 設(shè)計(jì)輸出

凝水調(diào)節(jié)管系運(yùn)行參數(shù)：管道內(nèi)徑為77mm，流量為60t·h－1，溫度為30℃，密度為995.62 kg·m－3，凝水進(jìn)口壓力為3.3MPa，背壓為0.15MPa。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行斜孔式節(jié)流孔板設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)輸出數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)流孔板設(shè)計(jì)計(jì)算Tab.1 Design and calculation for throttle orifice

3 數(shù)值驗(yàn)證

3.1 單級斜孔式孔板節(jié)流特性

圖1 節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of throttle orifice

基于上述斜孔式節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用ICEM軟件進(jìn)行三維建模 （圖1）及網(wǎng)格劃分。如圖2所示，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式進(jìn)行處理，近壁區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格，為保證孔板湍流特性的計(jì)算精度，對節(jié)流孔板局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化?；诰W(wǎng)格敏感性分析，確定計(jì)算域共計(jì)25萬個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model

圖3給出流速沿管路軸向長度方向的分布曲線。由圖可知，在節(jié)流孔板上游流域，流動(dòng)阻力小，流體速度較低且基本保持不變 （約為5m·s－1）。當(dāng)流體流經(jīng)孔板時(shí)，由于孔板上節(jié)流孔較小，促使流速急劇升高，最高流速達(dá)到55m·s－1，流速相應(yīng)增大11倍，節(jié)流孔板下游流域，流速快速降至5m·s－1，并維持流速不變。

圖3 孔板流速分布曲線Fig.3 Velocity curve of orifice plate

圖4示出了斜孔式節(jié)流孔板前后流動(dòng)規(guī)律。從圖4可以看出，由于孔板上兩個(gè)節(jié)流孔直徑較小，導(dǎo)致流體穿過節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生射流現(xiàn)象，同時(shí)，兩個(gè)節(jié)流孔相對管路中線對稱布置，使得高速射流的流體形成徑向?qū)_模式，使流體射流能量相互抵消，降低流體沖擊動(dòng)能。但在節(jié)流孔板下游形成局部渦流，極易誘發(fā)低頻振動(dòng)。

壓力沿軸向長度方向的分布曲線如圖5和圖6所示。由圖可知，流體壓力呈先急劇上升又快速下降規(guī)律，究其原因主要是孔板下游流體流速下降，流體動(dòng)壓能轉(zhuǎn)換為靜壓能，使得壓力快速升高。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)流孔板的局部流域形成了負(fù)壓區(qū)域，該區(qū)域流體壓力低于凝水溫度為30℃對應(yīng)的飽和壓力4.25kPa，極易導(dǎo)致凝水汽化，進(jìn)而誘發(fā)流體發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致凝水管路節(jié)流孔板的劇烈振動(dòng)。因此，理論計(jì)算設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證單級斜孔式孔板節(jié)流特性的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4 孔板流速分布矢量圖Fig.4 Velocity vectors of orifice plate

圖5 孔板壓力分布曲線Fig.5 Pressure curve of orifice plate

圖6 孔板壓力分布云圖Fig.6 Pressure contours of orifice plate

3.2 兩級斜孔式孔板節(jié)流特性

由于單級孔板節(jié)流易導(dǎo)致孔板局部流體汽蝕，因此根據(jù)多級斜孔式孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對兩級斜孔式孔板節(jié)流特性進(jìn)行計(jì)算。

圖7給出了兩級斜孔式節(jié)流孔板前后流線變化規(guī)律。由圖7可見，流體流過第1級孔板上兩個(gè)節(jié)流孔后，由于第2級節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)作用，擾亂流體的流場分布規(guī)律，使得流體水力結(jié)構(gòu)重新匹配，流體以較低流速穿過第2級孔板上4個(gè)節(jié)流孔。

圖7 兩級孔板流動(dòng)分布規(guī)律Fig.7 Flow distributions of two－stage orifice plate

兩級斜孔式節(jié)流孔板前后區(qū)域流速矢量分布規(guī)律如圖8所示。沿著凝水管路中流體的流動(dòng)方向，流體以較高流速穿過第1級節(jié)流孔板，在兩級孔板之間流域形成局部高強(qiáng)度對沖射流現(xiàn)象，降低流體射流沖擊能量。由于第2級孔板提高節(jié)流孔數(shù)量，增大流體流通面積，導(dǎo)致流速下降，進(jìn)而促使對流沖擊能量降低，減少流體對管路的高強(qiáng)度沖刷。另外，第2級孔板下游并未產(chǎn)生大尺寸渦流，說明凝水系統(tǒng)管路不會(huì)產(chǎn)生低頻湍流脈動(dòng)。

圖8 兩級孔板流速矢量分布規(guī)律Fig.8 Velocity vectors of two－stage orifice plate

圖9和圖10示出了流速沿管路軸向長度方向的分布曲線和云圖。由圖可知，在兩級節(jié)流孔板的連續(xù)導(dǎo)流作用下，在兩個(gè)孔板間呈現(xiàn)出流體速度由小到大的周期性變化過程，且由于第2級孔板增大流通面積，導(dǎo)致流體的最高速度逐漸降低。

圖11和圖12給出了兩級孔板壓力變化規(guī)律。沿著凝水管路軸向長度的方向，由于節(jié)流孔板的阻力作用，導(dǎo)致壓力逐漸降低。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)流孔板下游流域的流體壓力呈先急劇升高再快速下降的變化趨勢，主要是由于流體對沖射流增大動(dòng)量損失，導(dǎo)致流體動(dòng)能降低，轉(zhuǎn)化為流體壓力升高。從圖中還可以看出，兩級節(jié)流孔板下游區(qū)域均沒有負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生，且孔板節(jié)流后的流體壓力均高于飽和壓力 （30℃凝水的飽和壓力為4.25kPa），因此兩級斜孔式節(jié)流孔板緩解管路汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，且降低流體對管路的沖刷強(qiáng)度，與理論設(shè)計(jì)結(jié)果吻合較好。

圖9 兩級孔板流速分布曲線Fig.9 Velocity curve of two－stage orifice plate

圖10 兩級孔板流速局部分布Fig.10 Velocity distributions of two－stage orifice plate

圖11 兩級孔板壓力分布曲線Fig.11 Pressure curve of two－stage orifice plate

圖12 兩級孔板壓力分布云圖Fig.12 Pressure contours of two－stage orifice plate

4 結(jié) 論

本文基于消聲器減振降噪機(jī)理，提出了具有“防止節(jié)流孔板汽蝕，降低流體沖刷管路強(qiáng)度”功效的新型斜孔對沖式節(jié)流孔板，引入伯努利方程和阻塞壓差計(jì)算方法，進(jìn)行節(jié)流孔板孔徑、級數(shù)和厚度的校核計(jì)算，得到適用于凝水調(diào)節(jié)管道的兩級斜孔式節(jié)流孔板，并利用CFD手段對理論設(shè)計(jì)的單級和二級斜孔式孔板節(jié)流特性進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明單級節(jié)流孔板下游局部流域誘發(fā)大尺度渦流和汽蝕現(xiàn)象，易導(dǎo)致凝水管路振動(dòng)；二級節(jié)流孔板不僅可以規(guī)避孔板誘發(fā)汽蝕，還能實(shí)現(xiàn)流體對沖射流效應(yīng)，促使沖擊能量相互抵消，降低流體沖擊動(dòng)能。因此該計(jì)算方法可為船舶凝給水系統(tǒng)管道節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定理論基礎(chǔ)。

符 號 說 明

A——孔板節(jié)流孔總面積，m2

Cq——管嘴流量系數(shù)

Dk——節(jié)流孔直徑，m

di——管道內(nèi)徑，mm

Ff——臨界壓力比系數(shù)

Fl——壓力恢復(fù)系數(shù)，取值為0.9

M——孔板上節(jié)流孔數(shù)量，個(gè)

n——孔板級數(shù)

Δp——孔板節(jié)流前后壓差，MPa

pc——水的熱力學(xué)臨界壓力，MPa

pin——進(jìn)口壓力，MPa

Δps——阻塞壓差，MPa

pw——設(shè)計(jì)溫度下飽和蒸氣壓力，MPa

Q——體積流量，m3·s－1

δ——節(jié)流孔板的厚度，mm

ρ——密度，kg.m－3

［σ］t——設(shè)計(jì)溫度下管材的許用應(yīng)力，MPa

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