長管路均壓移水系統水力特性數值分析與試驗研究

張 政，肖龍洲，俞 健，蔡標華，鄒雨靜(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

在海上長時間航行的船舶，由于受海流、海浪以及海風等因素的影響，航行的平穩性難以避免會受到影響，為保證船舶具有較好的運行平穩性與操作性，船舶上設有移水系統，通過2個水箱之間的移水從而實現浮力調節，進而保證船舶運行的平穩性、操作性和安全性。

馬士虎建立移水系統的數學模型，確定了仿真軟件以及技術接口的組成，最終確立了其程序框圖。朱靖宇提出移水系統的設計方案以及本地電動、本地自動和遙控3種控制系統的研制方案。蔡標華通過AMEsim軟件建立移水系統的模型，分析發現水錘峰值一般發生在閥門附近，且延長閥門關閉時間有助于減小移水系統水錘的產生。李斌在其基礎之上通過Flowmaster瞬態仿真對移水系統水錘抑制的方法進行了研究，研究發現兩階段關閥策略以及加裝蓄能元件均能較好的抑制水錘。彭利坤通過AMEsim軟件建立了球閥模型，用于研究移水系統氣移水時管路的沖擊特性，發現閥后加裝蓄能器和縮短管長均有助于減小壓力沖擊，閥門線性關閉規律相較正弦關閉規律所產生的壓力沖擊峰值更小。前述的數字模型與仿真軟件分析對移水系統的管路特性、水錘與沖擊效應做了充分研究，在移水系統的減振降噪方面發揮了巨大作用，但是鮮有針對均壓移水系統水力特性的研究。

針對船舶移水系統存在管路長、流量大、存在背壓等問題，本文建立均壓移水系統F l o w m a s t e r模型，通過將移水系統中兩水箱排氣孔相連組成均壓移水系統，通過仿真對均壓移水系統關閥后系統水力特性進行研究，并設計試驗驗證仿真結果的正確性。

1 均壓移水系統建模、仿真與試驗

1.1 均壓移水系統基本原理

均壓移水系統原理圖如圖1所示。均壓移水系統共有水回路與氣回路2條回路。

圖1 均壓移水系統原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure-balancing water conveying system

其中水回路的核心元件分別為離心泵，水箱1和水箱2。水箱1和水箱2模擬實際船舶結構中的2個水箱，兩水箱的容積均為1 0 m，每個水箱內初始裝有5 m的水，兩水箱之間的管路長度為 60 m。離心泵負責為均壓移水系統提供動力，將水箱1中的水增壓后輸送至水箱2。另外水回路中還有控制閥、流量調節閥、單向閥、流量計和壓力傳感器等輔助元件。

氣回路的核心元件為供氣裝置以及供氣調節閥組，負責為水箱1和水箱2充壓，初始壓力為0 .25 MPa，氣回路管路公稱直徑為15。另外氣回路還包括排氣閥和截止閥等元件，通過將兩水箱頂部出氣口連通，改善水箱因移水而產生的氣壓不平衡現象。

1.2 均壓移水系統運行工況

均壓移水系統根據控制閥3的開閉情況分為均壓移水與均壓平衡2個工況。

當控制閥3完全關閉前，水回路與氣回路均保持連接狀態時，系統進入均壓移水工況。水箱1中的水從水回路經離心泵增壓后流入水箱2中，此時因為水箱1中有水流出、水箱2中有水流入，因此水箱1中氣壓降低、水箱2中氣壓升高，兩水箱內氣壓不平衡導致水箱2中氣體通過氣回路進入水箱1中。具體流動情況如圖2所示。當控制閥3完全關閉后，水回路斷開氣回路保持連接，系統進入均壓平衡工況。此時兩水箱內僅有氣體流動而無水流動，因此兩水箱內的氣壓會逐步趨于一致。具體流動情況如圖3所示。

圖2 均壓移水工況Fig. 2 Pressure-balancing water conveying operation condition

圖3 均壓平衡工況Fig. 3 Pressure-balancing air proportion operation condition

1.3 均壓移水系統仿真建模

1.3.1 Flowmaster仿真模型

依據圖1，在Flowmaster中建立如圖4所示均壓移水系統模型。

在Flowmaster模型中，元件1、元件2、元件3、元件6分別表示水箱1、水箱2、離心泵和控制閥3，分別用表示供氣裝置初始壓力（圖中元件12處壓力），表示水箱1出口壓力（節點9處壓力），表 示水箱2入口壓力（節點5處壓力），表示泵出口壓力（節點1處壓力）。水箱1右側與水箱2左側管路為氣回路，水箱1左側與水箱2右側之間管路為水回路。元件7、元件8、元件9、元件10、元件11所用閥的初始開度為1，元件4和元件6所用控制閥開度為0。仿真開始后水箱1和水箱2中氣壓與元件12相同。通過控制器13將元件11的開度調至0，隨后通過控制器14啟動離心泵，再通過控制器16將元件6的開度調至1，并通過控制器15逐步增大元件4的開度至1，系統運行一段時間后，通過控制器15將閥門4開度調至0，隨后通過控制器14停泵。Flowmaster計算模式為可壓縮瞬態，時間步長為0.1 s，總時長為500 s。

圖4 均壓移水系統Flowmaster模型Fig. 4 Flowmaster model of pressure-balancing water conveying system

1.4 均壓移水系統均壓移水試驗

試驗開始前，水箱1和水箱2中裝有 5 m的水，確認截止閥1和截止閥2與控制閥1和控制閥2處于全開狀態，供氣調節閥組處于關閉狀態。

試驗開始后，打開供氣調節閥組向水箱1和水箱2供氣均壓，當兩水箱內氣壓達到 0.25 MPa時停止供氣，并關閉供氣調節閥組。啟動離心泵，待其出口壓力穩定后，打開控制閥3，并逐漸打開流量調節閥，并觀察流量計，當流量增大至 60 m/h時，停止調節流量調節閥，待系統穩定運行一段時間后，觀察系統運行狀態，并記錄相關參數。最后關閉控制閥3，并停止運行離心泵，系統進入均壓平衡工況并觀察關閥過程中系統的運行狀態，并回復試驗臺架至初始狀態。

2 結果與討論

2.1 仿真結果與試驗驗證

圖5為均壓平衡工況下仿真與試驗結果對比。試驗過程中為防止管路出現嚴重的水錘效應對系統元器件產生破壞，將關閥時間設為5 s。可知，，，在均壓平衡工況下的仿真結果與試驗數據符合較好，試驗結果驗證了仿真的正確性。

2.2 均壓移水系統水力特性分析

2.2.1 均壓移水工況下管路系統壓力分布

圖5 均壓平衡工況仿真與實驗結果對比（P0 = 0.25 MPa）Fig. 5 Comparison of simulation and experimental results under pressure-balancing air proportion operation condition（P0 = 0.25 MPa）

圖6為根據仿真結果繪制的在均壓移水工況下150 s時管路系統不同位置壓力分布曲線，其中水回路壓力分布曲線包含，，，泵入口壓力以及水箱1和水箱2液面壓力；氣回路壓力分布曲線只包含水箱1和水箱2液面壓力。均壓移水工況150 s時系統處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，此時水箱1與水箱2之間存在壓力差。

圖6 管路系統不同位置壓力分布（均壓移水工況，P0 = 0.25 MPa）Fig. 6 System pressure distribution （pressure-balancing water conveying operation condition, P0 = 0.25 MPa）

在水回路中，由于水箱1中水壓的影響，相較水箱1液面壓力略有升高。由于水回路管路存在沿程損失因此泵入口處壓力相較有所降低，經過離心泵增壓，相較泵入口壓力大幅升高。同樣，由于管路存在沿程損失因此相 較降低。最后由于水箱2中水壓影響，水箱2液面壓力相較有所降低。

在氣回路中，水箱2到水箱1中僅有沿程損失沒有增壓元器件，因此直接將水箱2液面壓力與水箱1液面壓力相連，水箱2液面壓力高于水箱1液面壓力。

2.2.2 均壓平衡工況壓力變化

圖7為均壓移水系統均壓平衡工況壓力變化曲線。在=18 s前，閥門尚未完全關閉，系統仍處于均壓移水工況，系統中水回路與氣回路保持連接，離心泵將水箱1內的水增壓后輸送至水箱2中，水箱2中氣壓大于水箱1中氣壓因此水箱2中氣體通過氣回路流入水箱1中，這使得減 小，增 大，減小。在=18 s 時，閥門完全關閉，達到最大值 0 .55 MPa，達 到最小值 0.19 MPa ，同時由 0 .65 MPa快速提高至0.78 MPa ，并在停泵前一直維持不變。在=18 s后，系統進入均壓平衡工況，水回路斷開而氣回路仍然保持連接，兩水箱之間沒有水流動，但是兩水箱之間仍存在氣壓不平衡，這使得水箱2中的氣體流入水箱1中，因此關閥后一 直增大，一直減小，直到最后兩水箱內氣壓一同到達 0.28 MPa并維持不變，即兩水箱達到壓力均衡。在 停泵后壓力快速掉落至與相同，為 0.22 MPa ，并在隨后的時間內同一同增大，最后一起達到 0 .28 MPa，實現壓力均衡。

圖7 均壓平衡工況壓力變化（P0 = 0.25 MPa）Fig. 7 Pressure change under pressure-balancing air proportion operation condition (P0 = 0.25 MPa)

2.3 均壓移水系統不同初始壓力仿真

為探究均壓移水系統不同初始壓力對系統均壓平衡工況的影響，通過Flowmaster軟件仿真系統初始壓力分別為 0.1 MPa ， 0 .25 MPa 與 0.4 MPa時系統均壓平衡工況，不同初始壓力下均壓平衡工況和如圖8所示，不同初始壓力下均壓平衡工況泵入口壓力如圖9所示。

圖8 不同P0時均壓平衡工況P1和P2Fig. 8 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different P0

圖9 不同P0下泵入口壓力Fig. 9 Pump inlet pressure under different P0

根據圖8可知，在=40 s 前，閥門尚未完全關閉，系統仍處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，水箱1和水箱2之間有水與氣流動，此時3種初始壓力下均 在增大、略有增大，且初始壓力越大，和越大；在=40 s后，閥門完全關閉，系統進入均壓平衡工況，系統水回路斷開氣回路保持連接，水箱1和水箱2之間無水流動但水箱2中氣體仍流入水箱1中，此時3種初始壓力下均在減小、均 在增大，直到=190 s 時達到3種初始壓力，和同時達到壓力均衡狀態，壓力隨后保持不變，3種初始壓力系統停泵后達到壓力均衡所用時間均為1 50 s。

因此初始壓力主要影響和的大小，且初始壓力越大，和相應地就會越大，但不同的初始壓力下系統到達壓力均衡的時間一樣。

圖9為均壓移水系統整個仿真過程中泵入口壓力曲線變化圖?？芍煌跏級毫ο?，初始壓力越大，泵入口壓力越大。由于在開閥階段泵口壓力持續降低，因此初始壓力越小，泵越容易產生氣蝕，從而對泵的性能產生影響。當初始壓力為 0 .1 MPa時，閥完全打開時泵入口壓力最低僅為 0.03 MPa；而初始壓力為 0.4 MPa時，閥完全打開時泵入口壓力最低可達0.3 MPa，泵更不易產生氣蝕。因此初始壓力越大越有助于抑制氣蝕的產生。

2.4 均壓移水系統氣回路不同管徑仿真

為探究均壓移水系統氣回路管路不同管徑對系統均壓平衡工況的影響，通過Flowmaster軟件仿真氣回路管路公稱直徑分別為10，15與20 時系統均壓平衡工況，不同管徑下均壓平衡工況和如圖10所示。

圖10 不同管徑下氣回路均壓平衡工況P1和P2(P0 = 0.25 MPa)Fig. 10 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different pipe diameters(P0 = 0.25 MPa)

可知，在=70之前，閥門尚未完全關閉，系統處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，水箱1和水箱2之間有水與氣流流動，此時3種管徑下均在增大、略 有增大，其中管徑越大的越 小、越大，即和之 間壓差越小；在=70 s后，閥門完全關閉，系統進入均壓平衡工況，水回路斷開氣回路保持連接，水箱1和水箱2之間無水流動但水箱2中氣體仍流入水箱1中，此時3種管徑下均在減小、均在增大，但不同管徑下壓力變化的速度不同，管徑越大不僅壓差越小，壓力變化速度也越快，因此到達壓力均衡所用時間越短：20 在=130 s時就達到壓力均衡狀態，用時 60 s；15 在=220 s達到壓力均衡狀態，用時1 50 s ； DN10在=680 s時才達到壓力均衡狀態，用時 610 s。但最終3種管徑達到壓力均衡時的壓力相同。

因此不同管徑不僅影響和的大小，管徑越大，在關閥前越 大且越 小，和之間的壓差越?。欢視绊懴到y到達壓力均衡的時間，管徑越大，到達壓力均衡的時間越短，但不會影響最終水箱內壓力值。

3 結 語

本文通過將船舶移水系統中兩水箱排氣孔相連從而組成均壓移水系統，用Flowmaster軟件對均壓移水系統的水力特性進行仿真，并通過試驗驗證仿真結果的正確性，得出以下結論：

1）關閥后系統進入均壓平衡狀態，由于水回路斷開氣回路保持連接，和會 逐步趨于一致，會在停泵后下降至與相同大小，并最終達到壓力均衡。

2）隨著系統初始壓力的 增大，和和泵入口處壓力增大，有助于抑制泵的氣蝕，但初始壓力的變化不會影響系統達到壓力均衡的時間。

3）隨著系統氣回路管徑的增大，關閥前減小增 大，且-減小，在關閥后系統到達壓力均衡的時間減小。