彭利坤， 屈 鐸， 許文奇， 陳 佳

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

大型艦船、潛艇上常設(shè)有縱傾均衡調(diào)水系統(tǒng)以調(diào)節(jié)艦船首尾平衡，其管系中的電液球閥啟閉規(guī)律無法進行精確控制，而輸水過程中球閥突然關(guān)閉時會產(chǎn)生劇烈的水擊現(xiàn)象[1]，不僅導(dǎo)致管系的振動噪聲，甚至可能造成管路破裂、閥門等設(shè)備損壞。

針對突然關(guān)閥、停泵等引起的流體管路水擊問題，王福軍等采用基于特征線法的熱流體仿真平臺Flowmaster對某泵站進行水力過渡過程計算，并對泵后閥門關(guān)閉規(guī)律和空氣閥布置方案進行優(yōu)化[2]；由于特征線法難以考慮管道空間效應(yīng)等局限性[3]，CFD(Computational Fluid Dynamics)逐漸被應(yīng)用于水擊壓強計算[4-5]。Nikpour等[6]采用標準k-ε湍流模型模擬水擊現(xiàn)象，得到了與實驗數(shù)據(jù)基本一致的結(jié)果。張飛等[7]采用短時傅里葉變換方法，研究了水泵水輪發(fā)電機組球閥動水關(guān)閉前、后及過程中機組及球閥的主要頻率成分變化情況。對于典型的球閥控制流體管路系統(tǒng)，因艦船空間狹小，單相調(diào)壓水箱、蓄能器等傳統(tǒng)的水擊防護措施不易在艦船上實施，蔡標華[8]采用AMEsim對艦船首尾移水系統(tǒng)進行仿真與實驗分析，認為延長球閥關(guān)閉時長能有效抑制水擊；郭蘭蘭等[9-10]采用FLUENT滑移網(wǎng)格技術(shù)對球閥關(guān)閉水擊壓強進行計算，認為相比勻速、勻加速關(guān)閥方式，無閥腔球閥模型的勻減速關(guān)閥方式對水擊現(xiàn)象的抑制效果較好。在液壓泵站過渡過程中常采用兩階段關(guān)閉液壓閥進行水擊防護，并取得了較好的效果[11]。然而，對于球閥控制流體管路的水擊防護，僅有“快開(閥)慢關(guān)(閥)”、“先快后慢關(guān)閥”[12]等定性分析，尤其是兩階段線性關(guān)閥具體控制規(guī)律的水擊防護研究尚未見報道。因此，以艦船均衡調(diào)水系統(tǒng)為原型，搭建了具有雙向調(diào)水功能的實驗系統(tǒng)，通過CFD數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，重點分析了先快后慢的兩階段線性關(guān)閥的水擊防護效果，對球閥關(guān)閉規(guī)律進行優(yōu)化，以期為球閥關(guān)閉時低噪聲控制提供指導(dǎo)。

1 CFD水擊壓強計算

1.1 實驗系統(tǒng)簡介

實驗系統(tǒng)原理如圖1所示，通過控制空氣瓶內(nèi)壓縮空氣的壓力來控制調(diào)水的速度；通過控制空氣瓶內(nèi)空氣的輸送方向?qū)崿F(xiàn)雙向調(diào)水；其中管路1、管路2分別安裝數(shù)字步進球閥Va(最快啟閉時間3 s，即啟閉最大速度30 °/s)、電液球閥Vb(啟閉時間約0.5 s)。根據(jù)相似性原理和實驗室具體情況搭建的實驗系統(tǒng)臺架如圖2所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 實驗系統(tǒng)整體實物圖Fig.2 Physical map of experimental system

實驗系統(tǒng)中的數(shù)字球閥和電液球閥僅驅(qū)動裝置不同，與流場接觸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示，閥芯外壁與閥體內(nèi)壁構(gòu)成了閥腔。

1.2 數(shù)值模擬方法

由球閥閥芯球體、閥腔、閥芯通道的幾何關(guān)系，構(gòu)建球閥一定開度下時的剖面與閥口投影示意圖如圖4所示，推導(dǎo)得到球閥流通面積A與開度θ的關(guān)系

(1)

1-左閥體；2-閥芯；3-右閥體；4-閥腔；5-密封圈；6-進口管道；7-閥芯通道；8-出口管道

(a)

(b)圖4 球閥剖面與閥口投影示意圖Fig.4 Cutaway view and projection drawing of valve

根據(jù)實驗系統(tǒng)實際管長，取閥前管長l1、閥后管長l2建立球閥全開時的流場幾何模型，同時針對球閥結(jié)構(gòu)與運動特點，將整個流域分為進口管路、閥芯通道、閥腔和出口管路四部分建模。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。

首先對網(wǎng)格模型進行了網(wǎng)格無關(guān)性模擬。針對0.5 s時長單線性勻速關(guān)閥工況，在20萬網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，每次增加2萬網(wǎng)格對其進行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格增加到約28萬時，其最大水擊壓強的計算結(jié)果與網(wǎng)格約為26.2萬的計算結(jié)果相差僅為0.3%，所以采用約26.2萬的網(wǎng)格模型。該模型網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，并對運動邊界進行了適當加密，其網(wǎng)格如圖5所示。

根據(jù)調(diào)水系統(tǒng)的工況，調(diào)水時兩端水箱的壓差為4 bar，其中一端與空氣瓶連通，而另一端連通大氣，因此，設(shè)置參考壓力為1 bar，進口設(shè)置為總壓4 bar的壓力進口；出口設(shè)置為0 bar的壓力出口。采用FLUENT滑移網(wǎng)格技術(shù)和標準k-ε湍流模型模擬球閥關(guān)閉瞬態(tài)過程，同時定義交界面以便各流域進行數(shù)據(jù)交換，并通過UDF(User Defined Function)實現(xiàn)對閥芯運動規(guī)律的精確控制。

(a)閥芯通道及進出口管路

(b)閥腔圖5 幾何模型網(wǎng)格Fig.5 Mesh of geometrical model

球閥由全開到完全閉合是一個動態(tài)過程，管道中流體為非穩(wěn)態(tài)湍流流動，其連續(xù)性方程和動量方程為

(2)

(3)

CFD計算時采用標準k-ε湍流模型來使上述方程封閉。

1.3 數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)實驗系統(tǒng)特性對模型各參數(shù)選取如表1所示。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Parameters of model

對球閥關(guān)閉過程進行瞬態(tài)數(shù)值模擬，監(jiān)測閥前截面的平均壓力，也即水擊壓強。研究水擊問題需考慮水的可壓縮性，根據(jù)流體體積模量表達式(4)[13]、流體密度ρ的表達式(5)及水擊波波速c的表達式(6)，在Fluent中采用UDF定義三者之間的聯(lián)系以考慮水的可壓縮性。

(4)

(5)

(6)

式中:K為水的體積模量;V為水的體積；p為壓強。

以0.5 s時長勻速關(guān)閉電液球閥工況的水擊壓強數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 水擊壓強計算值與電液球閥實驗值對比Fig.6 Water hammer pressure of experiment and simulation

從圖6中可知，實驗得到的最大水擊壓強為7.31 bar，計算所得的最大水擊壓強為7.722 bar，就最大水擊壓強而言，計算值與實驗值誤差為5.64%。仿真采用單線性勻速關(guān)閥；實驗中電液球閥動作是電磁閥打開、液壓推動閥芯旋轉(zhuǎn)關(guān)閉的，加速階段很短，可近似看作勻速關(guān)閥。實驗和數(shù)值模擬中關(guān)閥規(guī)律上存在的這點不同是造成誤差的主要原因之一。數(shù)值模擬的水擊壓強在閥門完全關(guān)閉后先上下波動，最后穩(wěn)定在4 bar，這與實驗結(jié)果吻合較好，說明考慮水的可壓縮性進行關(guān)閥水擊現(xiàn)象的數(shù)值模擬是可行的。

1.4 CFD計算結(jié)果分析

對于實驗系統(tǒng)中的球閥，由式(1)可知，當閥芯由全開旋轉(zhuǎn)80°時，球閥恰好完全關(guān)閉。對實驗系統(tǒng)球閥管路模型在有效關(guān)閥時長內(nèi)采用先快后慢的兩階段線性關(guān)閥進行CFD數(shù)值仿真，且本節(jié)中數(shù)值模擬的所有工況中整個關(guān)閥(球閥閥芯從全開旋轉(zhuǎn)90°)時長均采用0.5 s。其中，“以270 °/s速度快關(guān)43.75%”工況的球閥模型縱截面各時刻的壓力云圖和速度云圖分別如圖7、圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，球閥閥芯在由全開到關(guān)閉的過程中，由于閥芯的節(jié)流作用，流速發(fā)生了劇烈的變化，造成了嚴重的壓力損失，而且進口管道和出口管道的壓差會隨著球閥的關(guān)閉而增大。

(a)0.4 s

(b)0.5 s

(c)0.6 s

(d)0.7 s圖7 各時刻壓力云圖Fig.7 Pressure contour at different time

(a)0.4 s

(b)0.5 s

(c)0.6 s

(d)0.7 s圖8 各時刻速度云圖Fig.8 Velocity contour at different time

圖9 快關(guān)階段角度不同的關(guān)閥規(guī)律Fig.9 Closing law with different angle at quick-closing stage

圖10 快關(guān)階段角度不同時水擊壓強曲線Fig.10 Water hammer pressure of different closing law with different angle at quick-closing stage

表2 快關(guān)階段角度不同時的最大水擊壓強Tab.2 Maximum pressure of different closing law with different angle at quick-closing stage

快關(guān)階段速度均為270 °/s、快關(guān)階段角度不同的關(guān)閥規(guī)律如圖9所示，其對應(yīng)的水擊壓強曲線如圖10所示，其最大水擊壓強如表2所示。從圖10和表2可知：

(1)采用先快后慢的兩階段線性關(guān)閥時，閥門完全關(guān)閉后的壓力振蕩較勻速關(guān)閥時有了明顯改善;

(2)較線性關(guān)閥而言，采用先快后慢的兩階段線性規(guī)律進行關(guān)閥時，水擊壓強峰值將提前出現(xiàn)，當快關(guān)階段角度太大時，反而導(dǎo)致水擊壓強變大，其中“以270 °/s速度快關(guān)全角度56.25%”的最大水擊壓強達到9.593 bar；當快關(guān)階段角度較小時，則對水擊的抑制效果不佳，其中“以270 °/s速度快關(guān)31.25%”的最大水擊壓強為7.083 bar;

(3)就本模型而言，關(guān)閥時長均為0.5 s時采用“以270 °/s速度快關(guān)43.75%”的關(guān)閥方式的水擊防護效果較好，其最大水擊壓強僅為6.884 bar。

在上述結(jié)果(3)的基礎(chǔ)上研究快關(guān)角度均為43.75%時快關(guān)階段速度不同工況下的水擊壓強，具體關(guān)閥規(guī)律如圖11所示，其對應(yīng)的關(guān)閥水擊壓強如圖12所示，不同關(guān)閥規(guī)律下的最大水擊壓強如表3所示。

表3 快關(guān)階段速度不同時的最大水擊壓強Tab.3 Maximum pressure of different closing law with different velocity at quick-closing stage

從圖11、圖12和表3中可知：快關(guān)階段速度越快，水擊壓強最大值出現(xiàn)時刻越早；當快關(guān)角度均為全行程的43.75%時，最大水擊壓強隨快關(guān)階段速度增加而減小，且其衰減程度變緩。實際應(yīng)用中關(guān)閥速度不可能無限增大。

2 實驗結(jié)果分析

軟件設(shè)置了多種兩階段關(guān)閥控制規(guī)律，其中關(guān)閥時長均為4 s的兩階段關(guān)閥規(guī)律如圖13所示，CFD仿真計算的關(guān)閥水擊壓強曲線如圖14所示，實驗值曲線如圖15所示。

圖11 快關(guān)階段速度不同的關(guān)閥規(guī)律Fig.11 Closing law with different velocity at quick-closing stage

圖12 快關(guān)速度不同時水擊壓強曲線Fig.12 Water hammer pressure of different closing law with different velocity at quick-closing stage

圖13 兩階段關(guān)閥規(guī)律Fig.13 Valve-closing law of two stage

圖14 不同關(guān)閥規(guī)律水擊壓強仿真值Fig.14 Water hammer pressure of different valve-closing law of simulation

圖15 不同兩階段關(guān)閥規(guī)律的水擊壓強實驗值Fig.15 Water hammer pressure of different valve-closing law of experiment

從圖14、圖15中可看出，采用先快后慢的兩階段線性關(guān)閥規(guī)律時，水擊壓強的峰值出現(xiàn)的時間提前，且閥門完全關(guān)閉后的壓力振蕩明顯減?。坏绻礻P(guān)階段角度太大反而會導(dǎo)致最大水擊壓強增加，而快關(guān)階段角度太小則造成水擊壓強抑制效果不佳，以上四種關(guān)閥規(guī)律中以快慢速比1.33且快關(guān)50%時的水擊抑制效果最好，這與CFD仿真結(jié)論基本一致。

同時將不同關(guān)閥規(guī)律最大水擊壓強的實測數(shù)據(jù)與仿真值對比如表4所示。從中可看出，就最大水擊壓強而言，仿真值與實驗值誤差均在6%以內(nèi)，考慮到調(diào)水壓力難以精確控制等因素，誤差在允許范圍內(nèi)。

表4 最大水擊壓強仿真與實驗值對比Tab.4 Maximum pressure of experiment and simulation

3 結(jié) 論

(1)本文針對艦船縱傾均衡系統(tǒng)中球閥控制流體管路在突然關(guān)閥時產(chǎn)生劇烈水擊問題，設(shè)計搭建了包含開關(guān)規(guī)律可精確控制數(shù)字球閥的實驗系統(tǒng)，通過對比實驗數(shù)據(jù)驗證了CFD應(yīng)用于水擊計算的可行性。

(2)通過分析CFD計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)可知：當關(guān)閥時長一定時，采用先快后慢的兩階段線性關(guān)閥能有效抑制球閥關(guān)閉后的壓力振蕩情況，且水擊壓強峰值出現(xiàn)時刻提前，但是快關(guān)階段角度太大時，反而會增大關(guān)閥過程水擊壓強；而當快關(guān)階段角度較小時，則造成水擊壓強抑制效果不佳，就本研究而言，以快慢速比1.6左右且快關(guān)角度在45%附近時水擊防護效果較好。