注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流降噪設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

方超，馬士虎，蔡標(biāo)華，俞健

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注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流降噪設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

方超，馬士虎，蔡標(biāo)華，俞健

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064)

大壓差工況下，流量調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用導(dǎo)致自流注水系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題突出。為控制自流注水系統(tǒng)的噪聲，從系統(tǒng)配置的角度進(jìn)行系統(tǒng)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了多級(jí)節(jié)流的降噪方案。采用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值方法進(jìn)行了多級(jí)節(jié)流低噪聲設(shè)計(jì)原理分析，驗(yàn)證了多級(jí)節(jié)流降噪方案的有效性。基于低噪聲設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了三級(jí)流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)的節(jié)流注水方案，并對(duì)三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值分析，數(shù)值分析結(jié)果表明：三級(jí)節(jié)流設(shè)計(jì)使各級(jí)閥后低壓區(qū)減小，避免了閥后局部氣蝕出現(xiàn)；一級(jí)閥門(mén)和二級(jí)閥門(mén)進(jìn)口下緣及出口上緣均出現(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，為主要噪聲源區(qū)域。

流量調(diào)節(jié)閥；三級(jí)節(jié)流；振動(dòng)噪聲；流場(chǎng)計(jì)算

0 引言

自流注水系統(tǒng)利用舷外和艙內(nèi)壓力差對(duì)水艙進(jìn)行自流注水達(dá)到均衡船舶浮力變化的目的。傳統(tǒng)注水系統(tǒng)采用單級(jí)流量調(diào)節(jié)閥控制注水流量，在高壓差條件下，系統(tǒng)內(nèi)部流體紊流度高，氣蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)整體噪聲級(jí)較高，對(duì)于總體環(huán)境有不利影響，迫切需要治理和改善。

國(guó)內(nèi)外研究者在海水系統(tǒng)噪聲治理方面進(jìn)行了大量研究，工程實(shí)際中采取的降噪措施主要有多級(jí)節(jié)流、分散流道、迷宮式流道等[1-2]。戴根華等[3]提出了利用多孔板結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)氣蝕噪聲；Y Liu等[4]以單級(jí)節(jié)流孔、二級(jí)節(jié)流孔以及三級(jí)節(jié)流孔作為研究對(duì)象，在系統(tǒng)背壓相同、進(jìn)口壓力不同的實(shí)驗(yàn)條件下研究其空化特性，結(jié)果表明，空化程度與節(jié)流孔級(jí)數(shù)和工況壓力都密切相關(guān)；吳杰[5]進(jìn)行了多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)，閥芯采用串級(jí)降壓的形式，降低了調(diào)節(jié)閥噪聲。目前，研究涉及多種管路系統(tǒng)和噪聲治理方法，但是較少見(jiàn)利用多級(jí)流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)噪聲治理的文獻(xiàn)報(bào)道。

本文重點(diǎn)分析了高壓差自流注水系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，從系統(tǒng)配置的角度提出了三級(jí)閥門(mén)串聯(lián)節(jié)流的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并建立簡(jiǎn)單二維模型對(duì)三級(jí)節(jié)流的低噪聲設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了三級(jí)節(jié)流降噪方案的有效性?；谌?jí)節(jié)流的低噪聲設(shè)計(jì)原理，對(duì)自流注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析。

1 注水系統(tǒng)噪聲源及機(jī)理分析

如圖1所示，注水系統(tǒng)主要由管道、閥門(mén)以及浮力調(diào)整水艙等部分組成。根據(jù)注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行工況要求，系統(tǒng)在1.8 MPa的高壓差條件下采用單級(jí)閥門(mén)節(jié)流完成注水動(dòng)作。

圖1 自流注水系統(tǒng)原理圖

在高壓差條件下，由于注水系統(tǒng)閥門(mén)的節(jié)流作用，海水介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)流速迅速增大，海水介質(zhì)壓力降低，當(dāng)海水介質(zhì)壓力低于蒸汽飽和壓力時(shí)，海水介質(zhì)發(fā)生空化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化噪聲。同時(shí)，在閥門(mén)前后高壓差條件下，系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，紊流程度高，湍流噪聲顯著?？栈肼暸c湍流噪聲是自流注水系統(tǒng)的主要噪聲源。

按照國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的《IEC 60534-8-3: 2000》標(biāo)準(zhǔn)中閥門(mén)-噪聲的相關(guān)描述，閥門(mén)噪聲主要與閥門(mén)流量、閥門(mén)前后壓差、流體介質(zhì)密度以及閥門(mén)是否空化等密切相關(guān)。注水系統(tǒng)流量一定時(shí)，可通過(guò)降低閥門(mén)壓差抑制閥門(mén)噪聲。通過(guò)上述分析可知，宜采用多級(jí)閥門(mén)串聯(lián)逐級(jí)降壓的技術(shù)方案對(duì)自流注水系統(tǒng)閥門(mén)空化噪聲和湍流噪聲進(jìn)行治理。

2 三級(jí)節(jié)流降噪設(shè)計(jì)原理

通過(guò)將三級(jí)流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)可提高單級(jí)流量調(diào)節(jié)閥下游壓力，減小單級(jí)閥門(mén)壓差，避免閥門(mén)下游流體氣蝕，抑制氣蝕噪聲，同時(shí)可有效減小流體壁面壓力脈動(dòng)和湍流強(qiáng)度，降低湍流噪聲。

為說(shuō)明三級(jí)節(jié)流的低噪聲設(shè)計(jì)效果，本文建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二維模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。根據(jù)多級(jí)節(jié)流設(shè)計(jì)原則[6]，各級(jí)節(jié)流壓降按照幾何級(jí)數(shù)遞減設(shè)計(jì)，因此，三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)各級(jí)閥門(mén)開(kāi)度逐級(jí)遞增。由于三級(jí)節(jié)流孔串聯(lián)的降噪原理與三級(jí)閥門(mén)串聯(lián)的降噪原理相同，模型中以直徑逐級(jí)增大的節(jié)流孔替代開(kāi)度逐級(jí)增大的調(diào)節(jié)閥作為阻力元件。目前尚無(wú)合適的模型可用于計(jì)算流體空化，但是流場(chǎng)壓力分布可間接反映流體空化與否及空化程度，可對(duì)空化噪聲及湍流噪聲進(jìn)行定性分析及評(píng)價(jià)。因此本文采用二維大渦模擬模型監(jiān)測(cè)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)，通過(guò)壓力脈動(dòng)對(duì)比，對(duì)三級(jí)節(jié)流的降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如圖2所示，模型-1為單級(jí)節(jié)流網(wǎng)格模型，出流和入流管段直徑為100 mm，節(jié)流孔徑為29.5 mm，孔長(zhǎng)100 mm；模型-2為三級(jí)節(jié)流網(wǎng)格模型，出流和入流直徑為100 mm，第一級(jí)節(jié)流孔徑為35mm，第二級(jí)節(jié)流孔徑為37.5 mm，第三級(jí)節(jié)流孔徑為43 mm，三級(jí)節(jié)流孔孔長(zhǎng)均為100 mm。模型-1和模型-2的幾何尺寸均由數(shù)值試驗(yàn)確定，試驗(yàn)的目標(biāo)是使模型-1和模型-2具有相同的阻力系數(shù)。進(jìn)出口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和速度出口，其中進(jìn)口壓力設(shè)為1.8 MPa，出口速度設(shè)為4 m.s-1，沿流向取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3。

圖2 三級(jí)節(jié)流低噪聲設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型

圖3為運(yùn)用二維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法得到的模型-1和模型-2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力幅值。由模型-1和模型-2對(duì)比可知，在相同的阻力系數(shù)下，三級(jí)節(jié)流三個(gè)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3脈動(dòng)壓力幅值均較單級(jí)節(jié)流減小15 dB(參考?jí)毫?0-6MPa)以上。由此可知，采用三級(jí)閥門(mén)串聯(lián)的節(jié)流注水方案符合低噪聲設(shè)計(jì)要求。

圖3 模型-1和模型-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果

3 三級(jí)節(jié)流注水系統(tǒng)數(shù)值分析

3.1 注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流設(shè)計(jì)模型

基于三級(jí)節(jié)流低噪聲設(shè)計(jì)原理，完成了自流注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，注水系統(tǒng)由三臺(tái)球閥串聯(lián)共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)注水流量，如圖4所示。

圖4 注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)

注水系統(tǒng)進(jìn)出口及閥門(mén)之間管道內(nèi)徑均為100 mm，流量調(diào)節(jié)閥類(lèi)型為球閥，閥芯通徑為80 mm。一定工況下，為使三級(jí)注水系統(tǒng)與單級(jí)注水系統(tǒng)具有相同的注水流量，三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)各閥門(mén)總阻力系數(shù)應(yīng)與單級(jí)節(jié)流系統(tǒng)閥門(mén)阻力系數(shù)相同，因此，注水時(shí)增大三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)各級(jí)閥門(mén)開(kāi)度，并且逐級(jí)增大，可有效降低閥門(mén)內(nèi)的流體流速，避免各級(jí)流量調(diào)節(jié)閥后發(fā)生氣蝕。

3.2 三級(jí)節(jié)流管路流場(chǎng)特性分析

3.2.1 計(jì)算網(wǎng)格模型及參數(shù)設(shè)置

注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流模型閥門(mén)附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精度，采用混合網(wǎng)格劃分方案，閥門(mén)附近采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格且網(wǎng)格適當(dāng)細(xì)化，管道處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格且網(wǎng)格略微粗化。如圖5所示，計(jì)算區(qū)域從左至右分為入流、一級(jí)節(jié)流閥、中間管段-1、二級(jí)節(jié)流閥、中間管段-2、三級(jí)節(jié)流閥、出流七個(gè)部分，網(wǎng)格總數(shù)為424萬(wàn)，其中入流包含77萬(wàn)六面體網(wǎng)格，一級(jí)節(jié)流閥包含50萬(wàn)四面體網(wǎng)格，中間管段-1包含78萬(wàn)六面體網(wǎng)格，二級(jí)節(jié)流閥包含51萬(wàn)四面體網(wǎng)格，中間管段-2包含28萬(wàn)六面體網(wǎng)格，三級(jí)節(jié)流閥包含50萬(wàn)四面體網(wǎng)格，出流包含90萬(wàn)六面體網(wǎng)格。

圖5 整體網(wǎng)格模型

3.2.2 流場(chǎng)特性計(jì)算結(jié)果分析

三級(jí)節(jié)流注水系統(tǒng)壓力和速度分布如圖6所示。由壓力分布云圖6(a)可以看出，從入流到出流沿軸向壓力逐級(jí)降低，閥門(mén)前后壓差減小，且一級(jí)節(jié)流閥至三級(jí)節(jié)流閥壓降依次變小。一級(jí)至三級(jí)節(jié)流閥后均出現(xiàn)局部壓力降低，但未降至飽和蒸汽壓力以下，三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)未出現(xiàn)空化現(xiàn)象，原因是后級(jí)閥門(mén)對(duì)上級(jí)閥門(mén)形成壓力阻塞作用，使流體介質(zhì)的流速降低，平穩(wěn)降壓，抑制了低壓區(qū)域的形成，這也說(shuō)明了三級(jí)節(jié)流抑制空化現(xiàn)象的有效性。由速度分布云圖6(b)可以看出，閥門(mén)附近速度梯度較大，流動(dòng)不均勻變強(qiáng)。注水系統(tǒng)后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)集中在控制閥門(mén)附近流動(dòng)不穩(wěn)定性上。

圖6 三級(jí)節(jié)流系統(tǒng)橫截面流動(dòng)特性

三級(jí)節(jié)流注水系統(tǒng)速度矢量分布規(guī)律如圖7所示。由速度矢量分布圖可以看出，由于閥門(mén)進(jìn)口上緣和出口下緣流體突然加速，閥門(mén)進(jìn)口下緣和閥門(mén)出口后方出現(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，而根據(jù)渦聲理論[7]，漩渦是流噪聲的主要來(lái)源[8-9]。一級(jí)和二級(jí)節(jié)流閥后均未出現(xiàn)單級(jí)節(jié)流時(shí)常出現(xiàn)的卷吸現(xiàn)象[10]，射流現(xiàn)象明顯減弱，原因是后級(jí)閥門(mén)對(duì)上級(jí)閥門(mén)形成了一定的阻塞作用，中心流域流體對(duì)外周流域的卷吸作用被抑制，渦量和漩渦強(qiáng)度進(jìn)一步減小，三級(jí)節(jié)流使注水系統(tǒng)的湍流噪聲被有效抑制。

圖7 三級(jí)節(jié)流注水系統(tǒng)速度矢量分布規(guī)律

4 結(jié)論

本文分析了注水系統(tǒng)噪聲源及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，基于系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，提出了三級(jí)節(jié)流的降噪方案，建立簡(jiǎn)單的二維模型并采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)三級(jí)節(jié)流的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行驗(yàn)證。最后給出了注水系統(tǒng)三級(jí)節(jié)流的設(shè)計(jì)模型，并選取典型工況進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 三級(jí)節(jié)流設(shè)計(jì)使閥后低壓區(qū)減小，閥后壓力高于飽和蒸汽壓力，閥后局部汽蝕被有效抑制，避免了空化噪聲的產(chǎn)生；

(2) 后級(jí)閥門(mén)的阻塞作用使閥后射流現(xiàn)象有所減弱，渦量和漩渦強(qiáng)度減小，注水系統(tǒng)的湍流噪聲被抑制；

(3) 三級(jí)節(jié)流注水系統(tǒng)的一級(jí)節(jié)流閥和二級(jí)節(jié)流閥的進(jìn)口下緣和出口上緣均出現(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)的主要噪聲源區(qū)域，后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

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Three stage throttling noise reduction design and numerical analysis of water injection system

FANG Chao, MA Shi-hu, CAI Biao-hua, YU Jian

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, Hubei, China)

Under the condition of high pressure difference, the throttling effect of flow control valve results in the problem of vibration and noise. In order to control the noise of the water injection system, this paper makes a low noise optimization design from the viewpoint of system configuration and proposes a noise reduction scheme for multistage throttling. The principle of low noise design is analyzed by numerical method of fluid dynamics, which verifies the effectiveness of the multilevel throttling scheme. Based on the principle of low noise design, three stage flow control valves in series are designed to control the flow in this paper. Then the paper numerically analyzes the flow field and sound field, and the analysis results indicate that the three stage throttling design makes the low pressure area smaller and the local cavitation reduced behind valves,，a large scale vortex structure appears at the lower edge of the inlet and the upper edge of the outlet of the first two stage valves.

flow control valve; three stage throttle; vibration noise; flow field calculation

TB533+.2

A

1000-3630(2018)-03-0277-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.015

2017-05-12;

2017-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509192)

方超(1991－), 男, 湖北黃岡人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)榇皺C(jī)械裝置及系統(tǒng)。

馬士虎, E-mail: 1579416524@qq.com