幾種典型船用風量調(diào)節(jié)閥的特性分析及研究

熊鵬俊，朱求源，尚 峰，周愛民，余 濤

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；3. 海軍駐431廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

幾種典型船用風量調(diào)節(jié)閥的特性分析及研究

熊鵬俊1，朱求源2，尚 峰3，周愛民2，余 濤2

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；3. 海軍駐431廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

船用風量調(diào)節(jié)閥是空調(diào)系統(tǒng)空氣管路不可或缺的一部分，本文通過數(shù)值模擬方法分析現(xiàn)有的3種典型的船用風量調(diào)節(jié)閥的流量特性和阻力特性，利用風量調(diào)節(jié)閥的試驗臺架進行其性能驗證，并分析閥門的再生噪聲特性。數(shù)值模擬、性能試驗以及噪聲特性的分析結(jié)果可以為船用空調(diào)系統(tǒng)設計選型風量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)。

風量調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；實驗；流量和阻力特性；低噪聲

0 引 言

船用空調(diào)系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)和控制船舶艙室內(nèi)不同區(qū)域的環(huán)境空氣溫濕度。對于整個空調(diào)系統(tǒng)而言，其用戶的需求和區(qū)域的熱負荷各不相同，因此不同區(qū)域所需風量也不盡相同。系統(tǒng)設計時，如果單純的通過送風管路管徑的變化去實現(xiàn)系統(tǒng)末端的風量分配，會存在較大的難度，并且工況變化時，系統(tǒng)風量很難實現(xiàn)與實際熱負荷相匹配。因此在實際工程中，空調(diào)系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)安裝在送風管路上的風量調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)的分支管路的風量進行手動調(diào)節(jié)分配，從而使得各個末端的風量達到系統(tǒng)風量分配的平衡調(diào)節(jié)要求。除此之外，在空調(diào)系統(tǒng)設計過程中，設計人員往往更多的關注冷水機組，水泵和風機等設備產(chǎn)生的噪聲，對風量調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的再生氣流噪聲卻重視不夠[1]，而減振降噪已成為船用空調(diào)系統(tǒng)的主要關注點之一[2–3]，國內(nèi)對于風量調(diào)節(jié)閥的噪聲相關研究很少，搭建的風量調(diào)節(jié)閥試驗臺架也主要是用于研究風閥的流量和阻力特性[4]，對于風閥的再生噪聲研究基本出去空白階段，因此開展風量調(diào)節(jié)閥的噪聲研究很有必要。

在船用空調(diào)系統(tǒng)中，單葉閥門、對開多葉閥門和平行多葉閥門這3種閥門應用較為廣泛。因此本文主要選用這3種閥門作為研究分析對象。

本文主要采用了數(shù)值模擬計算與實物臺架實驗相結(jié)合方法分析和研究3種典型的船用風量調(diào)節(jié)閥。首先建立了單葉閥門、對開多葉閥門和平行多葉閥門3種典型的船用風量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬模型，通過計算流體力學軟件[4–5]對3種不同的閥門進行流場特性、阻力特性的分析及研究；利用風量調(diào)節(jié)閥的試驗臺架進行其性能驗證，并分析閥門的再生噪聲特性。數(shù)值模擬、性能試驗以及噪聲特性的分析結(jié)果可為船用空調(diào)系統(tǒng)設計選型風量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬分析

風量調(diào)節(jié)閥，其工作原理在于利用流通面積的變化實現(xiàn)支路阻力的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達到水力平衡狀態(tài)，維持各個末端的送風量達到設計要求。風量調(diào)節(jié)閥主要由閥體、閥板（葉片）、調(diào)節(jié)手柄、驅(qū)動機構(gòu)、填料函等部件組成，根據(jù)閥的葉片類型，可分為單葉閥門、對開多葉閥門和平行多葉閥門等多種型式。

1.1 物理模型

在建立3種典型的船用風量調(diào)節(jié)閥時，把調(diào)節(jié)閥簡化成為一個內(nèi)含導流葉片風通道，風量調(diào)節(jié)閥的其他部件如驅(qū)動機構(gòu)，調(diào)節(jié)手柄等簡化處理。對3種典型的船用風量調(diào)節(jié)閥的簡化物理模型如圖1所示。

遵循單一變量原則，3種風量調(diào)節(jié)閥的截面都為280 mm×190 mm（寬×高），其中單葉閥門的閥片規(guī)格為280 mm×190 mm（寬×高）；對開多葉閥門的閥片規(guī)格為46.66 mm×190 mm（寬×高），共6片；平行多葉閥門的閥片規(guī)格為46.66 mm×280 mm（寬×高），共6片。

1.2 數(shù)值建模及邊界條件

采用CFD軟件建立閥門及連接的管道的三維物理模型，對其物理邊界簡化后，進行了數(shù)值模擬計算，其中風量調(diào)節(jié)閥的進口設置為速度進口，出口為充分發(fā)展條件，閥片及壁面設置為無滑移。計算模型采用湍流模型，非結(jié)構(gòu)化SIMPLE算法，介質(zhì)為常溫常壓下的不可壓縮空氣。

為了便于分析閥的特性，將3種閥的出口均與等截面的方形管道進行連接，并保證入口的管路長度不小于5倍的閥特征尺寸，出口的長度不小于10倍的閥特征尺寸，數(shù)值模擬模型如圖2所示。在進行網(wǎng)格劃分時，針對閥體前后通徑1倍的局部區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密，該區(qū)域加密是對區(qū)域3個方向的網(wǎng)格同時加密。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在進行風量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬分析時，進行了多工況的模擬，分析了單葉、平行多葉、對開多葉3種閥門在不同的開度條件下和不同的進口流速下的流量特性和阻力特性，但是由于篇幅有限，本文就以3種閥門在進口風速為10 m/s，閥門開度為60°情況下的數(shù)值模擬計算結(jié)果作為分析對象進行分析和研究，并對典型截面的速度場和壓力場進行了分析。考慮的典型截面為：沿氣流方向閥體中心的平行截面。

圖3～圖4分別為單葉、平行多葉、對開多葉風量調(diào)節(jié)閥在 60° 開度下的典型截面的流場速度云圖。由圖可知，當閥門開度為 60° 時，單葉調(diào)節(jié)閥的出口流場復雜，單葉風量調(diào)節(jié)閥流場中最高流速約為32 m/s并出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，平行多葉和對開多葉風量調(diào)節(jié)閥流場中最高流速都約為23 m/s左右，均小于單葉風量調(diào)節(jié)閥。

圖3～圖5同時表明，距離閥口越遠，速度分布越均勻。在距離閥口1倍直徑處，對開多葉風量調(diào)節(jié)閥的速度最為均勻。平行多葉風量調(diào)節(jié)閥次之。對開多葉風量調(diào)節(jié)閥閥后只需約1倍直徑的距離，流場就已充分發(fā)展分布均勻，而單葉閥需要的距離則遠很多。

同時根據(jù)磨損機理可知，流場的不均勻性和偏流，更容易導致閥片的磨損[6]。

圖6～圖8分別為單葉、平行多葉、對開多葉風量調(diào)節(jié)閥在60°開度下的典型截面的靜壓云圖。該圖表明平行多葉風量調(diào)節(jié)閥的局部阻力最小，阻力損失最小，阻力系數(shù)最小。表1為3種風量調(diào)節(jié)閥在不同開度下的調(diào)節(jié)閥阻力損失。該表同樣表明平行多葉風量調(diào)節(jié)閥的局部阻力最小，閥門開度越小，差異越大，在小開度時，傳統(tǒng)單葉閥阻力極大。一般而言，風量調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)越大，其再生噪聲越大。

表 1 風量調(diào)節(jié)閥額定流量進出口靜壓損失分析（Pa）

2 試驗臺架搭建

為了對數(shù)值模擬結(jié)果進行一個論證，同時為了測量風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲，本文搭建了風量調(diào)節(jié)閥的試驗臺架，試驗裝置原理如圖9所示。

試驗臺架的通風系統(tǒng)動力通過變頻風機提供，送風系統(tǒng)管路上布置了旁通管路，以保證通過試驗風閥的風量滿足實驗要求，可通過風量測量點和調(diào)節(jié)旁通支路確定實驗閥體的來流速度和通過閥體的風量。同時在閥的前后端分別布置了U型微壓計測量系統(tǒng)和噪聲測量系統(tǒng)，通過U型微壓計可測量出閥體前后的靜壓值。在進行噪聲測量時，為了杜絕風機噪聲和其他噪聲源的干擾，在測量閥出口的噪聲時，將其測量點布置在一個密小室內(nèi)。入口噪聲測量點布置在閥體前的管道內(nèi)。

3 試驗結(jié)果分析

為了保證試驗結(jié)果與計算結(jié)果比較的可比性，選取了與數(shù)值模擬模型完全一致的風閥進行試驗。CFD可以準確的分析風閥的流量特性和阻力特性，并且與試驗結(jié)果一致[4]。

本文在進行風量調(diào)節(jié)閥的試驗研究時，同樣進行了多工況的模擬，分析了單葉、平行多葉、對開多葉3種閥門在不同的開度條件下和不同的進口流速下的流量特性、阻力特性和再生噪聲特性。風閥的流量特性和阻力特性前期已經(jīng)通過CFD進行了模擬分析，本文的試驗結(jié)果與CFD計算結(jié)果也是基本一致，除此之外本文還主要進行了閥門再生噪聲的試驗研究。

通過噪聲測量系統(tǒng)，可以測量出單葉、平行多葉、對開多葉風量調(diào)節(jié)閥在不同開度和不同流量下的再生噪聲數(shù)值。在此選取了3種閥門在60°開度不同流量下的噪聲曲線為分析對象。圖10為3種閥門在60°開度不同流量下的再生噪聲曲線，通過該圖可以發(fā)現(xiàn)，當通過閥的風量較小時3種風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值相差不大，但是隨著風量的增加，風閥的再生聲也隨之增加，其中單葉風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲增加較為迅速，最大噪聲值可達到15 dBa，不利于整個船舶空調(diào)系統(tǒng)的減振降噪。

圖11為多葉對開風量調(diào)節(jié)閥在不同開度不同流量下的再生噪聲曲線，該圖表明當流量較小時，閥在不同開度下的再生噪聲數(shù)值基本一致，但是當流量較大時，閥的再生噪聲也就隨之會增加。同時閥的開度對閥的再生噪聲值也有影響，開度越大，再生噪聲越小，部分情況下還會出現(xiàn)消聲（即再生噪聲數(shù)值為負值）的現(xiàn)象。而當閥的開度較小為30°流量較大時，再生噪聲可以達到20 dB（A）。

通過分析3種風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲曲線可知，單葉風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值較高，為了保證船用空調(diào)系統(tǒng)的空氣噪聲控制目標，不建議在船上使用單葉風量調(diào)節(jié)閥進行空調(diào)風量的調(diào)節(jié)（作為工況切換閥，設計選型可不受限制）；同時在選用閥件調(diào)節(jié)系統(tǒng)風量時盡量保證閥的開度，這樣也閥體的再生噪聲數(shù)值也較小。

4 結(jié) 語

本文建立了3種典型船用空調(diào)系統(tǒng)風量調(diào)節(jié)閥（單葉，平行多葉和對開多葉風量調(diào)節(jié)閥）的數(shù)值模擬模型，并進行了數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明平行多葉風量調(diào)節(jié)閥和對開多葉風量調(diào)節(jié)閥的的阻力特性和流量特性都比較好，單葉風量調(diào)節(jié)閥的特性最差。進一步通過搭建試驗臺，分析了3種閥門的再生噪聲，結(jié)果表明閥的開度和流量都對再生噪聲有影響，風閥的再生聲也隨開度的減小和風量的增大而增加。其中在相同開度下，單葉風量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值最高。因此通過分析3種風量調(diào)節(jié)閥的流量特性，阻力特性和再生噪聲特性，可為船用空調(diào)系統(tǒng)設計選型風量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)，建議在系統(tǒng)管路上設計選型風量調(diào)節(jié)閥時，系統(tǒng)管路安裝空間允許的情況下盡量選用多葉閥。

[1]王俊, 陳劍波, 王銀華, 等. 變風量末端噪聲測量實驗及分析[J]. 建筑科學, 2009, 25(12): 44–47.

[2]張碩, 冷文軍, 趙俊濤, 等. 基于頻譜分析的斜流風機振動控制改進研究[J]. 艦船科學技術, 2015, 37(5): 5–8.

[3]由成良. 輔助船空調(diào)、通風系統(tǒng)的噪聲分析與控制[J]. 船舶, 2012(6): 48–53.

[4]沈新榮, 朱文斌, 黎焱, 等. 恒流量風閥的數(shù)值分析與試驗研究[J]. 流體機械, 2007, 35(2): 5–8.

[5]陳旺生, 向曉東, 陸繼東, 等. 耐磨風量調(diào)節(jié)閥氣相流場的數(shù)值模擬[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2006, 34(10): 86–88.

[6]姚群, 李育杰. 除塵管道磨損與防磨措施[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2000(1): 47–48, 51.

The characteristic analysis and research of the different typical marine air flow regulating valve

XIONG Peng-jun1, ZHU Qiu-yuan2, SHANG Feng3, ZHOU Ai-min2, YU Tao2
(1. Navy Representative Office in the 719 Research Insitute of CSIC, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 3. Navy Representative Office in No. 431 Plant, Huludao 125004, China)

Marine air flow regulating valve is the important part of the air-condition system. Computational fluid dynamics method is used to simluate the flow characteristic and resistance characteristic of the exist three typical marine air flow regulating valves. Then an experiment rig is established to present the noise characteristic of the air flow regulating valves. Therefore the results of the simluation and experiment is used to select the marine air flow regulating valve of air conditioning system for reference.

air flow regulating valve；CFD；experiment rig；flow and resistance characteristic；low noise

TB472

A

1672 – 7649(2017)08 – 0096 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.020

2016 – 09 – 25；

2016 – 12 – 15

熊鵬俊(1987 – )，男，高級工程師，主要從事武備電子專業(yè)研究。