楊元龍，鄭 文

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064;2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064)

船用大壓降給水管道多級(jí)孔板設(shè)計(jì)及節(jié)流特性研究

楊元龍1，鄭 文2

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064;2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064)

為減少大壓降給水管道振動(dòng)和噪聲,確保船舶汽水系統(tǒng)的穩(wěn)定循環(huán)特性,以某船用大壓降給水管道為原型,采用CFD數(shù)值模擬的方法分析六級(jí)同心孔板和六級(jí)偏心孔板的壓降特性、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及湍流脈動(dòng)規(guī)律,計(jì)算結(jié)果表明,六級(jí)偏心節(jié)流孔板適用于大壓降短管距的船舶給水管路系統(tǒng)。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與理論設(shè)計(jì)吻合較好。

多級(jí)節(jié)流孔板;給水管道;汽蝕

節(jié)流孔板廣泛應(yīng)用于船舶汽水系統(tǒng),作為船舶系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)流體壓力和流量匹配的關(guān)鍵裝置,其主要運(yùn)行原理是由于孔板限流產(chǎn)生局部阻力,促使孔板上下游產(chǎn)生壓降,進(jìn)而達(dá)到節(jié)流降壓的設(shè)計(jì)目的。對(duì)于大壓降系統(tǒng)管路,由于節(jié)流孔板前后阻塞壓差的存在,布置單級(jí)節(jié)流孔板極易誘發(fā)流體汽蝕而導(dǎo)致管路發(fā)生劇烈振動(dòng)和噪音［1-2］。對(duì)于具有給水循環(huán)流量大、溫度高、壓降大及管道距離短等運(yùn)行和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的船用給水管路系統(tǒng),必須采用多級(jí)節(jié)流孔板來降低管路系統(tǒng)壓力［3］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)和數(shù)值優(yōu)化做了大量分析研究［4-7］。但少見關(guān)于船舶大壓降給水管道節(jié)流孔板設(shè)計(jì)與分析的文獻(xiàn)報(bào)道。文中基于某大型陸上試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)作為計(jì)算邊界條件,根據(jù)多級(jí)節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)方法和原則,對(duì)船用大壓降給水管道多級(jí)節(jié)流孔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用CFD數(shù)值模擬的手段對(duì)六級(jí)同心孔板和六級(jí)偏心孔板的節(jié)流特征開展研究,并詳細(xì)分析了給水管路孔板局部流域的壓力、流速和湍動(dòng)能等關(guān)鍵水力參數(shù)的變化特性及影響因素,討論適用于船舶大壓降給水管道的多級(jí)節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)形式和布置方式。

1 數(shù)值方法敏感性驗(yàn)證

以某船用給水管道單級(jí)節(jié)流孔板為原型,采用ICEM CFD軟件進(jìn)行物理建模,基于O網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,利用CFX 12軟件對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行前處理、計(jì)算求解和后處理。同時(shí),為減少離散解的產(chǎn)生,降低方程計(jì)算的偽擴(kuò)散性,采用全隱式耦合算法迭代計(jì)算求解流速和壓力的耦合過程。

計(jì)算邊界參數(shù)設(shè)置為:進(jìn)口壓力為4.5 MPa,給水溫度為104.5℃,出口壓力為0.13 MPa,管壁為絕熱條件和無滑移邊界條件,給水物性參數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)均來自IAPWS IF97數(shù)據(jù)庫。

結(jié)合來自于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算邊界條件,開展單級(jí)節(jié)流孔板壓降特性分析,以驗(yàn)證數(shù)值方法的敏感性和準(zhǔn)確性。給水管道單級(jí)節(jié)流孔板前后流域壓力變化規(guī)律見圖1、2,在節(jié)流孔板上游區(qū)域壓力為4.5 MPa,給水流經(jīng)孔板后,在節(jié)流孔板的局部阻力作用下,促使流體壓力快速降低,導(dǎo)致節(jié)流孔板下游區(qū)域給水壓力約為0.1MPa,同時(shí)數(shù)值計(jì)算的壓力曲線與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了CFD數(shù)值計(jì)算方法的可靠性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 多級(jí)節(jié)流孔板設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］中的設(shè)計(jì)方法,各級(jí)節(jié)流孔板的壓降按照幾何級(jí)數(shù)遞減設(shè)計(jì)原則,即第一級(jí)節(jié)流孔板的壓降為Δp1,第二級(jí)節(jié)流孔板的壓降為Δp1/2,第三級(jí)節(jié)流孔板壓降為Δp1/22,…,第n級(jí)節(jié)流孔板的壓降為Δp1/2n-1,最后一級(jí)孔板的節(jié)流輸出壓力為設(shè)計(jì)目標(biāo)壓力。

圖1 孔板壓力變化

圖2 孔板壓力分布

針對(duì)大壓降的船用給水管路,為防止節(jié)流孔板發(fā)生汽蝕現(xiàn)象而導(dǎo)致管道劇烈振動(dòng)和噪聲,在節(jié)流孔板設(shè)計(jì)過程中,采用多級(jí)降壓的方式,確保各級(jí)孔板節(jié)流后壓力高于流體飽和壓力。根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］和［8］的設(shè)計(jì)原則和方法,結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù):給水流量為50 t/h,溫度為104.5℃,密度為955 kg/m3,進(jìn)口壓力為4.5 MPa,背壓為0.13 MPa,對(duì)船用給水系統(tǒng)管道多級(jí)節(jié)流孔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),計(jì)算參數(shù)詳見表1。

表1 節(jié)流孔板計(jì)算 mm

3 六級(jí)孔板節(jié)流特性分析

3.1 六級(jí)同心孔板節(jié)流特性分析

基于上述六級(jí)孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),將1～6號(hào)孔板的間距設(shè)置為55,55,55,40,40 mm,進(jìn)行六級(jí)孔板幾何建模,見圖3。

如圖4所示,給水管路及節(jié)流孔板采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,管壁利用O網(wǎng)格方法添加邊界層網(wǎng)格,并進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。基于網(wǎng)格無關(guān)解的計(jì)算分析,計(jì)算域共計(jì)230 000個(gè)網(wǎng)格單元。

圖3 六級(jí)節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)

圖4 網(wǎng)格模型

六級(jí)同心節(jié)流孔板前后流線分布規(guī)律見圖5、6。由圖5、6可見,第一級(jí)孔板上游給水以較低流速流過孔板,孔板的節(jié)流作用導(dǎo)致第一級(jí)節(jié)流孔板下游流速急劇升高,形成流體射流現(xiàn)象。沿著流體流動(dòng)方向,節(jié)流孔板開孔直徑依次增大,且流體流動(dòng)未達(dá)到完全發(fā)展,導(dǎo)致流體射流程度減弱。

圖5 同心孔板流動(dòng)分布規(guī)律

圖6 同心孔板流速分布

六級(jí)同心節(jié)流孔板前后流速矢量分布見圖7。由圖7可知,流體快速穿過六級(jí)節(jié)流孔板過程中誘發(fā)的射流效應(yīng),對(duì)各級(jí)孔板之間的流域產(chǎn)生卷吸作用,導(dǎo)致各級(jí)孔板之間流體形成了局部渦流區(qū)域,極易導(dǎo)致管道和孔板的低頻振動(dòng)。

六級(jí)同心節(jié)流孔板湍動(dòng)能分布規(guī)律見圖8。由圖8可知,管路上游的節(jié)流孔板區(qū)域流體流動(dòng)湍動(dòng)能較高,最大值達(dá)到380 m2/s2,增強(qiáng)湍流流體微團(tuán)之間的動(dòng)量傳遞,導(dǎo)致管路上游孔板區(qū)域強(qiáng)烈脈動(dòng)。沿著流體流動(dòng)的方向,流體射流效應(yīng)減弱,流體流速不斷下降,流速梯度減小,促使流體湍流脈動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低。

圖7 同心孔板流速矢量分布規(guī)律

圖8 同心孔板湍動(dòng)能分布

六級(jí)節(jié)流孔板壓力和流速的變化見圖9。

圖9 同心孔板壓力和流速分布曲線

從圖9可以看出,第一級(jí)節(jié)流孔板上游流體的流速為6 m/s,流經(jīng)第一級(jí)孔板的開孔時(shí),流速快速升高至約120m/s,流體速度相應(yīng)增大20倍。在第一級(jí)孔板下游流域,流體流速逐漸下降,直至給水管路出口。從圖9還可以發(fā)現(xiàn),由于第一級(jí)孔板區(qū)域的流速急劇增大,流體的靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓能,導(dǎo)致在第一級(jí)節(jié)流孔板局部流域的流體壓力急劇降低。在第一級(jí)孔板下游流域,隨著各級(jí)孔板的開孔直徑增大,流體速度逐漸減小,促使流體動(dòng)壓能轉(zhuǎn)換為靜壓能,流體壓力不斷升高,壓力變化見圖10。

但流體壓力不會(huì)完全上升至管路孔板上游流體壓力,主要是由于各級(jí)孔板下游形成大尺寸的流體漩渦(見圖7),渦流的能量耗散轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的熱力學(xué)能,因此六級(jí)孔板節(jié)流后壓力不能上升至管路孔板的上游流體壓力。

圖10 同心孔板壓力分布云圖

從圖9可見,在第一級(jí)節(jié)流孔板與第六級(jí)孔板之間的流域形成了長(zhǎng)度約為200 mm的局部負(fù)壓區(qū)域,其流體壓力低于給水溫度為104.5℃對(duì)應(yīng)的飽和壓力0.118 8 MPa,導(dǎo)致流體發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)流體的阻塞流動(dòng),從而易導(dǎo)致給水管路孔板的高頻振動(dòng)。

3.2 六級(jí)偏心孔板節(jié)流特性分析

為優(yōu)化大壓降小管距的給水管路多級(jí)孔板的節(jié)流特性,結(jié)合實(shí)際船舶管路孔板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),將六級(jí)同心孔板設(shè)置為六級(jí)偏心孔板,開孔的偏心距設(shè)計(jì)為8 mm,并開展六級(jí)偏心孔板節(jié)流特性的計(jì)算分析。

六級(jí)偏心節(jié)流孔板前后流線分布見圖11。由圖11可知,流體以較高流速穿過第一級(jí)節(jié)流孔板的下游區(qū)域時(shí),由于節(jié)流孔板的偏心結(jié)構(gòu),改善流體的流動(dòng)水力結(jié)構(gòu),流體并未產(chǎn)生嚴(yán)重的射流現(xiàn)象。

圖11 偏心孔板流動(dòng)分布

六級(jí)偏心孔板前后區(qū)域流速矢量分布見圖12。沿著給水管路中流體的流動(dòng)方向,部分相鄰的兩級(jí)孔板之間形成小尺寸的漩渦。究其原因主要是第一級(jí)至第六級(jí)偏心孔板結(jié)構(gòu)的逐級(jí)導(dǎo)流作用,規(guī)避節(jié)流孔板區(qū)域流體射流和射流現(xiàn)象的發(fā)生,降低各級(jí)孔板之間渦流的誘發(fā)概率,減小流體局部渦流的尺度,因此減緩了管道和孔板的低頻振動(dòng)。

六級(jí)偏心節(jié)流孔板湍動(dòng)能分布見圖13、14。

圖12 偏心孔板流速矢量分布

圖13 偏心孔板湍動(dòng)能橫截面分布規(guī)律

圖14 偏心孔板湍動(dòng)能縱截面分布規(guī)律

由圖13、14可知,在偏心孔板的導(dǎo)流作用下,降低流體微團(tuán)的湍流脈動(dòng),且各級(jí)偏心節(jié)流孔板之間的流體湍動(dòng)能分布比較均勻,其中湍動(dòng)能的最大值約為40 m2/s2,遠(yuǎn)小于六級(jí)同心孔板的湍動(dòng)能最高值。

六級(jí)偏心孔板流速變化見圖15～17。

圖15 偏心孔板流速分布

由圖可知,由于各級(jí)偏心孔板的導(dǎo)流作用,在兩相鄰孔板間出現(xiàn)明顯的流體速度由小到大的周期性變化過程,且由于各級(jí)偏心節(jié)流孔板沿程連續(xù)作用,導(dǎo)致流體的速度逐漸降低。流體的最高速度約為53 m/s,降低了流體的沖擊動(dòng)能,弱化流體對(duì)管路和孔板的沖擊,減緩了給水管路的振動(dòng)。

圖16 偏心孔板流速橫截面分布

圖17 偏心孔板流速縱截面分布

六級(jí)偏心孔板的壓力變化見圖18～20。

圖18 偏心孔板壓力分布

圖19 偏心孔板壓力縱截面分布

圖20 偏心孔板壓力橫截面分布

沿著給水的流動(dòng)方向,流體壓力逐漸降低。主要是由于偏心孔板的導(dǎo)流作用,強(qiáng)化偏心孔板附近區(qū)域的流體能量耗散,導(dǎo)致大部分動(dòng)壓能轉(zhuǎn)換為熱能,少部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓,因此流體的壓力不斷降低。各級(jí)偏心孔板節(jié)流下游流域沒有負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生,且孔板節(jié)流后的流體壓力均高于給水溫度為104.5℃對(duì)應(yīng)的飽和壓力0.118 8MPa,因此避免流體發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,減少船舶給水管路系統(tǒng)的高頻振動(dòng)。數(shù)值計(jì)算壓力曲線與理論設(shè)計(jì)數(shù)值吻合較好。

4 結(jié)論

1)節(jié)流孔板下游產(chǎn)生渦流,誘發(fā)流體流動(dòng)能量耗散,促使流體部分動(dòng)壓能轉(zhuǎn)換為靜壓能,導(dǎo)致節(jié)流孔板下游壓力不能恢復(fù)至孔板上游壓力。

2)六級(jí)同心節(jié)流孔板會(huì)導(dǎo)致孔板下游產(chǎn)生大尺度渦流和汽蝕現(xiàn)象,極易誘發(fā)管路振動(dòng),不適用于大壓降小管距的船舶給水管路系統(tǒng)。

3)六級(jí)偏心節(jié)流孔板能減小渦流尺度,抑制孔板汽蝕現(xiàn)象,發(fā)揮孔板限流降壓功效,減緩流體沖擊管壁的動(dòng)量,規(guī)避大壓降小管距的船舶給水管路劇烈振動(dòng)和噪聲。

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Design of the Multistage Orifice Plate and Throttle Characteristics for Marine Feed Pipe with Large Pressure Drop

YANG Yuan-long1,ZHENG Wen2
(1 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China; 2Wuhan Ship Development Design Institute,Wuhan 430064,China)

In order to reduce vibration and noise from feed pipe with large pressure drop and ensure stable ship steam and water circle characteristics,multistage throttle orifice need to be designed reasonably.Taking the feed pipe with large pressure drop as the prototype,the CFDmethod is utilized to analyze numerically the pressure drop,flow field structure and turbulent distributions in detail between concentric and eccentric orifice plate.The calculated results show that the six-stage eccentric orifice plate is suitable to the feed pipeline system with large pressure drop and small space.The numerical simulation results agreed with those of theatrical design well.

multistage throttle orifice;feed pipe;cavitation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.039

U664.5

A

1671-7953(2015)03-0164-05

2015-02-28

修回日期:2015-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309063)

楊元龍(1986-),男,碩士,助理工程師

研究方向:艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真及設(shè)計(jì)

E-mail:long31609@163.com