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

楊元龍

（中國艦船研究設(shè)計中心，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，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)計的不合理必然會導(dǎo)致管路劇烈振動噪聲并誘發(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，避免振動噪聲”原則進(jìn)行孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計，鮮有涉及考慮降低沖擊管壁動量的研究報道。實(shí)際上，“防止孔板汽蝕”與 “降低沖擊管壁動量”是交互耦合的設(shè)計體系。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算方法，進(jìn)行節(jié)流孔板孔徑、級數(shù)和厚度的校核計算，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

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，降低流體沖擊動能。

1.2 設(shè)計方案

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

根據(jù)斜孔式節(jié)流孔板設(shè)計機(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)流孔板厚度計算校核的計算式為

2 設(shè)計輸出

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)計方案進(jìn)行斜孔式節(jié)流孔板設(shè)計，其具體設(shè)計輸出數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)流孔板設(shè)計計算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，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，確定計算域共計25萬個網(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，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)流孔板前后流動規(guī)律。從圖4可以看出，由于孔板上兩個節(jié)流孔直徑較小，導(dǎo)致流體穿過節(jié)流孔時產(chǎn)生射流現(xiàn)象，同時，兩個節(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。

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。因此，理論計算設(shè)計數(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，對兩級斜孔式孔板節(jié)流特性進(jìn)行計算。

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個節(jié)流孔。

圖7 兩級孔板流動分布規(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)管路不會產(chǎn)生低頻湍流脈動。

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量損失，導(dǎo)致流體動能降低，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算方法，進(jìn)行節(jié)流孔板孔徑、級數(shù)和厚度的校核計算，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；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，降低流體沖擊動能。因此該計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

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)計溫度下管材的許用應(yīng)力，MPa

［1］ Zhao Yuzhu （趙玉柱），Wang Zhangsheng （王章生）.Reformation and optimized operation of speed control system of boiler feed pump turbine ［J］.HuadianTechnology（華電技術(shù)），2011，33 （2）：30－33.

［2］ Wu Yingyou （吳英友），Zhao Yao （趙耀）.Study on vibration frequency characteristics of turbine driven feed pump unit［J］.ChineseJournalofShipResearch（中 國 艦 船 研 究），2006，1（5／6）：90－93.

［3］ Li Zaicheng （李 再 承），Hou Guoxiang （侯 國 祥），Wu Chongjian （吳崇?。?Research progress on sound radiation of turbulence in pipeline ［J］.ChineseJournalofShipResearch（中國艦船研究），2007，2 （1）：34－38.

［4］ Yan Yuanlong，Thorpe R B.Flow regime transition due to cavitation in the flow through an orifice ［J］.Int.J.Multi.Flow，1990，16（6）：1023－1045.

［5］ Srdjan N.Using computational fluid dynamics in combating erosion－corrosion ［J］.Chem.Eng.Sci.，2006，61：4086－4097.

［6］ Zhao Jigang （趙 繼 剛），Liu Derong （劉 德 榮）.Selection calculation of throttle orifices of the recycling pipe of condensate pumps in the chemical industry ［J］.ContemporaryChemicalIndustry（當(dāng)代化工），2012，41（11）：1232－1234.

［7］ Nie Fang （聶方）.Calculation and analysis for equipment selection of adjustable valve and throttling orifice of the recycling pipe of condensate pump in power plants ［J］.EnergyConservationTechnology（節(jié)能技術(shù)），2011，29（169）：470－473.

［8］ Li Yan （李 妍 ），Lu Daogang （陸 道 綱 ）.Design and analysis of throttle orifice applying to small apace with large pressure drop ［J］.NuclearPowerandEngineering（核動力工程），2013，34 （4）：126－129.

［9］ Yu Lingmin （余 靈 敏），Li Honglin （李 洪 林），Zeng Xiaokang （曾 小 康 ），Zhou Yuan （周 源 ）.Numerical simulation of high pressure drop in the short distance pipeline orifice plate ［J］.JournalofYangtzeUniversity：Natural ScienceEdition（長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版），2011，8（2）：68－70.

［10］ Zhang Baofeng （張 寶 峰 ）.Design and calculation of multistage throttle orifice plate ［J］.NorthwestChina ElectricPower（西北電力技術(shù)），2005，5：27－30.

［11］ Liu Zhong （劉忠），Liu Chunbo （劉春波）.Numerical simulation of flow accelerated corrosion of carbon steel in single liquid phase flow ［J］.NuclearPowerEngineering（核動力工程），2009，30（5）：48－53.

［12］ Xun Zhenyu （荀振宇），Yang Yuanlong （楊元龍）.Numerical simulation on the dynamic performance of marine steam accumulators under two different charging modes ［J］.ChineseJournalofShipResearch（中國艦船研究），2014，9 （6）：110－114.

［13］ Wang Jianping （王劍平），Yang Yuanlong （楊元龍）.Study on flash evaporation performance of marine flash tank ［J］.AppliedPhysics（應(yīng)用物理），2014，4：181－188.

［14］ Sun Changjiang （孫 長 江），Yang Yuanlong （楊 元 龍）.Numerical simulation on the dynamic characteristics of marine steam accumulators under different operating conditions ［J］.ChineseJournalofShipResearch（中 國 艦 船 研究），2014，9 （5）：105－109.

［15］ Sun Baozhi，Yang Yuanlong.Numerically investigating the influence of tube support plates on thermal－h(huán)ydraulic characteristics in a steam generator ［J］.Appl.Therm.Eng.，2013，51：611－622.

［16］ Yang Yuanlong （楊元龍），Sun Baozhi（孫寶芝），Yang Longbin （楊龍 濱），Zhang Yu （張羽）.Numerical simulation on vapor－liquid two－phase of the secondary circuit in steam generator ［J］ .AtomicEnergyScienceand Technology（原子能科學(xué)技術(shù)），2012，46 （1）：110－114.

［17］ Yang Yuanlong，Sun Baozhi，Li Yanjun.CFD investigation of thermal－h(huán)ydraulic characteristics for a steam generator with and without tube support plates ［J］.Proceedingsofthe InstitutionofMechanicalEngineers，PartC：Journalof MechanicalEngineeringScience，2013，31：358－365.

［18］ Xun Zhenyu （荀振宇），Yang Yuanlong （楊元龍）.Numerical simulation on the dynamic performance of marine steam accumulators under two different charging modes ［J］.ChineseJournalofShipResearch（中國艦船研究），2014，9 （6）：105－109.

［19］ Li Yanjun，Yang Yuanlong，Sun Baozhi.Numerical investigation of thermal－h(huán)ydraulic characteristics in a steam generator using a coupled primary and secondary side heat transfer model ［J］.Ann.Nucl.Energ.，2013，55：258－264.

［20］ Wu Lianwei（吳廉?。?，Yang Yuanlong （楊元龍）.Numerically investigating influence of different steam source parameters on charging process of marine steam accumulator［J］.AppliedPhysics（應(yīng)用物理），2014，4：169－175.