搖擺對窄矩形通道內流量波動特性的影響

吳廉巍，陳 沖，吳 煒，孫 玲，劉東民

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

受到風、浪、涌的影響核動力船舶會產生傾斜、搖擺、起伏、俯仰等運動[1–3]，這些運動都會引起船用核動力裝置動力系統的熱工水力特性發生變化，而流量的波動特性尤為顯著。研究海洋條件下強迫循環回路流量的波動特性，對核動力裝置的可靠性、經濟性、安全性都有重要意義。Wang[4–5]，Xing[6–7]，Yan[8]通過實驗和計算研究表明，在搖擺工況下強迫循環回路的摩擦阻力系數和換熱系數會出現明顯的波動，并隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，摩擦阻力系數和換熱系數的波動振幅增加。Murata[9]和Tan[10–11]的研究結果表明，自然循環傳熱系數的時均值和波動振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加。高璞珍[12]指出在海洋條件下流體會受到附加力的作用，且由向心力引起的附加壓降只與流動起始點的位置有關與積分路徑無關，而由切向力引起的附加壓降與積分路徑有關。

綜上所述，在海洋環境條件下船體的橫搖、縱搖和起伏運動會使流體系統受到附加力的影響，艦船流體環路中的流場和溫度場都會發生周期性的波動，且搖擺運動對強迫循環和自然循環的流動傳熱特性都有影響，很多學者都比較關注搖擺運動對阻力特性和傳熱特性的影響，而對流量波動特性的影響關注比較少。同時窄矩形通道由于其較高的換熱性能是船用緊湊式換熱器的主要結構之一，然而對搖擺條件下窄矩形通道內單相水的流量波動特性的研究非常少，因此本文將從理論和實驗兩部分展開搖擺工況下窄矩形通道內的流體特性研究。

1 實驗裝置

海洋環境模擬實驗裝置示如圖1 所示。實驗裝置的搖擺角度分別為20°，15°，10°，搖擺周期分別為10 s，15 s，20 s，主要用于模擬船舶搖擺運動，同時搖擺周期和搖擺角度可以不同組合以滿足不同的工況實驗需求。在搖擺平臺上搭建閉式的熱工水力實驗回路用于模擬船舶動力系統流體系統，整個熱工實驗回路隨著搖擺平臺的運動而周期性的運行，實驗回路主要包括加熱回路和冷卻回路，加熱回路主要用于加熱窄矩形通道的流體，以及系統流體的平均溫度；冷卻回路主要用于冷卻窄矩形實驗段出口的流體，確保實驗過程中流體溫度的穩定，其中冷卻回路安裝在實驗室平臺，不參與搖擺運行，冷卻回路與冷卻器的采用軟管連接確保搖擺過程中冷卻回路不受影響，其中冷卻塔放在室外采用風冷的形式。實驗過程中采用和換熱器1∶1 尺寸的窄矩形實驗通道，實驗通道長寬為2 mm×40 mm，高度為1 100 mm，實驗通道采用電加熱的方式，同時在實驗通道外側包覆絕熱層，以減少熱量的損失。同時在實驗段的一側安裝3 個引壓管用來測量不同時刻實驗通道內的壓力和壓降，在穩壓器和預熱器之間安裝了高精度的電磁流量計，用來測量回路的流量波動。實驗過程中系統的壓力由穩壓器控制，穩壓器連接著高壓氮氣瓶，可以實現系統壓力的持續穩定，實驗系統的流量控制主要采用節流閥調節的形式。

圖1 機械搖擺熱工水力實驗裝置Fig.1 Mechanical rolling thermal-hydraulic experimental facility

海洋環境模擬實驗裝置通過變頻器和連桿與搖桿的組合，可實現搖擺角度和搖擺周期的準確控制，搖擺角度隨時間的變化為：

式中：θt，ωt，βt，θmax和T分別為海洋環境模擬實驗裝置的瞬時搖擺角度，角速度，角加速度，最大搖擺角度和搖擺周期。

2 窄矩形通道附加壓降的理論分析

在搖擺工況下船舶流體系統內流體的受力分析如圖2 所示。與穩態工況相比搖擺工況下由于旋轉特性的影響流體會受到向心力、切向力和科氏力的作用，同時作用在流體上的有效重力也會隨著搖擺角度的不同而發生變化。流體在附加力的作用下會產生相應的加速度和附加壓降從而導致流體的流量會發生周期性的波動。

式中：ace為向心加速度；ata為切向加速度；aco為科氏加速度；u為流體的速度；r為搖擺軸到流體質點的距離；y和z為流體微元的相對坐標。

如圖2 所示，對實驗回路沿實驗通道的流動方向對流體的附加慣性力積分，得到實驗通道的附加壓降為：

圖2 搖擺工況下流體的受力分析Fig.2 Force analysis of fluid element under rolling motion condition

將式（4）～式（6）代入式（7）得：

式中：Acs為窄矩形通道的橫截面積；ρ為實驗流體的密度；g為重力加速；h為2 個引壓管之間的距離。

由海洋搖擺運動引起的向心壓降、切向壓降以及重位壓降的變化如圖3～圖5 所示，由于切向壓降與流體回路的積分路徑有關，其波動周期和搖擺周期一致，而向心壓降和重位壓降只與流體起始點的位置有關，它們的波動周期為搖擺周期的一半。隨著搖擺角度的增加和搖擺周期的減小，向心壓降和切向壓降的波動振幅明顯增加，且切向壓降的波動振幅遠大于向心壓降的波動振幅，也就意味著在搖擺過程中附加切向力對流體的作用要遠大于附加向心力的作用。重位壓降的波動振幅只與搖擺角度有關而與搖擺周期無關，同時重位壓降的波動振幅要大于切向壓降的波動振幅。在搖擺運動中，重力和切向力對流體的作用效果比較大，而向心力的作用效果比較小。

圖3 附加向心壓降Fig.3 Additional centripetal pressure drop

圖4 附加切向壓降Fig.4 Additional tangential pressure drop

圖5 重位壓降的變化Fig.5 Variation of Gravity pressure drop

3 實驗結果與討論

搖擺角度和搖擺周期對質量流速波動特性的影響如圖6 和圖7 所示。在搖擺工況下，質量流速的波動周期與搖擺周期一致，且隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，質量流速的波動振幅增加，這主要是因為在單相區域質量流速的波動主要受到附加壓降的影響，且附加壓降的波動振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加。從圖6 和圖7 還可以看出，搖擺工況下的時均質量流速要小于穩態工況下質量流速，且隨著質量流速波動振幅的增加時均質量流速越小。

圖6 搖擺角度對質量流速波動的影響Fig.6 Effect of rolling angle on mass flux

圖7 搖擺周期對質量流速波動的影響Fig.7 Effect of rolling period on mass flux

質量流速的相對波動振幅能更好地研究搖擺參數對質量流速波動特性的影響，其表達式為：

式中：Gampr為質量流速的相對波動振幅；Gmax為質量流速波動的最大值；Gmin為質量流速波動的最小值；Gta為質量流速波動的時均值。

搖擺角度和搖擺周期對質量流速相對波動振幅的影響如圖8 和圖9 所示。在同一雷諾數下，隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加質量流速的相對波動振幅增加，主要是因為隨著搖擺角度和搖擺周期的增加，通道內的附加壓降增加，在同一雷諾數下附加壓降占通道總壓降的份額增加，質量流速的相對波動振幅增加。在雷諾數小于4 500 的區域，質量流速的相對波動振幅隨著雷諾數的增加而快速減小，這主要是因為在搖擺運動下雷諾數的增加主要依靠泵驅動壓頭的增加，在雷諾數小于4 500 的區域，附加壓降在通道總壓降的份額比較大，隨著雷諾數的增加，附加壓降的份額快速減小，從而導致質量流速相對波動振幅的快速減小。在雷諾數大于4 500 的區域，質量流速的相對波動振幅隨著雷諾數的增加變化不是很大，且當雷諾數大于10 000 時，搖擺角度和搖擺頻率對質量流速相對波動振幅的影響很小。

圖8 搖擺角度對質量流速相對波動振幅的影響Fig.8 Effect of rolling angle on relative fluctuation amplitude of mass flux

圖9 搖擺周期對質量流速相對波動振幅的影響Fig.9 Effect of rolling period on relative fluctuation amplitude of mass flux

4 結 語

在海洋條件下對流體的流量波動特性進行實驗研究和理論分析，得出如下結論：

1）搖擺運動下流體會受到切向力、法向力、科氏力的影響導致流量的周期性波動，且流量的波動周期與搖擺周期一致。

2）隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，附加向心壓降和附加切向壓降的波動振幅明顯增加，且重力和附加切向力對流體的作用效果遠大于附加向心力的作用效果。

3）通道質量流速的波動振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加，但時均質量流速隨著波動振幅的增加而減小。

4）在搖擺運動下，質量流速的相對波動振幅隨著雷諾數的增加而減小，在雷諾數小于4 500 的區域附加壓降對質量流速相對波動振幅的影響比較大，在雷諾數大于4 500 的區域，附加壓降對質量流速相對波動振幅的影響比較小。