搖擺對(duì)窄矩形通道內(nèi)流量波動(dòng)特性的影響

吳廉巍，陳 沖，吳 煒，孫 玲，劉東民

(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

受到風(fēng)、浪、涌的影響核動(dòng)力船舶會(huì)產(chǎn)生傾斜、搖擺、起伏、俯仰等運(yùn)動(dòng)[1–3]，這些運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起船用核動(dòng)力裝置動(dòng)力系統(tǒng)的熱工水力特性發(fā)生變化，而流量的波動(dòng)特性尤為顯著。研究海洋條件下強(qiáng)迫循環(huán)回路流量的波動(dòng)特性，對(duì)核動(dòng)力裝置的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性都有重要意義。Wang[4–5]，Xing[6–7]，Yan[8]通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究表明，在搖擺工況下強(qiáng)迫循環(huán)回路的摩擦阻力系數(shù)和換熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，并隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，摩擦阻力系數(shù)和換熱系數(shù)的波動(dòng)振幅增加。Murata[9]和Tan[10–11]的研究結(jié)果表明，自然循環(huán)傳熱系數(shù)的時(shí)均值和波動(dòng)振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加。高璞珍[12]指出在海洋條件下流體會(huì)受到附加力的作用，且由向心力引起的附加壓降只與流動(dòng)起始點(diǎn)的位置有關(guān)與積分路徑無關(guān)，而由切向力引起的附加壓降與積分路徑有關(guān)。

綜上所述，在海洋環(huán)境條件下船體的橫搖、縱搖和起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)使流體系統(tǒng)受到附加力的影響，艦船流體環(huán)路中的流場和溫度場都會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)，且搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)強(qiáng)迫循環(huán)和自然循環(huán)的流動(dòng)傳熱特性都有影響，很多學(xué)者都比較關(guān)注搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)阻力特性和傳熱特性的影響，而對(duì)流量波動(dòng)特性的影響關(guān)注比較少。同時(shí)窄矩形通道由于其較高的換熱性能是船用緊湊式換熱器的主要結(jié)構(gòu)之一，然而對(duì)搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)單相水的流量波動(dòng)特性的研究非常少，因此本文將從理論和實(shí)驗(yàn)兩部分展開搖擺工況下窄矩形通道內(nèi)的流體特性研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

海洋環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置示如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)裝置的搖擺角度分別為20°，15°，10°，搖擺周期分別為10 s，15 s，20 s，主要用于模擬船舶搖擺運(yùn)動(dòng)，同時(shí)搖擺周期和搖擺角度可以不同組合以滿足不同的工況實(shí)驗(yàn)需求。在搖擺平臺(tái)上搭建閉式的熱工水力實(shí)驗(yàn)回路用于模擬船舶動(dòng)力系統(tǒng)流體系統(tǒng)，整個(gè)熱工實(shí)驗(yàn)回路隨著搖擺平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而周期性的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)回路主要包括加熱回路和冷卻回路，加熱回路主要用于加熱窄矩形通道的流體，以及系統(tǒng)流體的平均溫度；冷卻回路主要用于冷卻窄矩形實(shí)驗(yàn)段出口的流體，確保實(shí)驗(yàn)過程中流體溫度的穩(wěn)定，其中冷卻回路安裝在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，不參與搖擺運(yùn)行，冷卻回路與冷卻器的采用軟管連接確保搖擺過程中冷卻回路不受影響，其中冷卻塔放在室外采用風(fēng)冷的形式。實(shí)驗(yàn)過程中采用和換熱器1∶1 尺寸的窄矩形實(shí)驗(yàn)通道，實(shí)驗(yàn)通道長寬為2 mm×40 mm，高度為1 100 mm，實(shí)驗(yàn)通道采用電加熱的方式，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)通道外側(cè)包覆絕熱層，以減少熱量的損失。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)段的一側(cè)安裝3 個(gè)引壓管用來測量不同時(shí)刻實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)的壓力和壓降，在穩(wěn)壓器和預(yù)熱器之間安裝了高精度的電磁流量計(jì)，用來測量回路的流量波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)的壓力由穩(wěn)壓器控制，穩(wěn)壓器連接著高壓氮?dú)馄?，可以?shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的持續(xù)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流量控制主要采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)的形式。

圖1 機(jī)械搖擺熱工水力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Mechanical rolling thermal-hydraulic experimental facility

海洋環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置通過變頻器和連桿與搖桿的組合，可實(shí)現(xiàn)搖擺角度和搖擺周期的準(zhǔn)確控制，搖擺角度隨時(shí)間的變化為：

式中：θt，ωt，βt，θmax和T分別為海洋環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置的瞬時(shí)搖擺角度，角速度，角加速度，最大搖擺角度和搖擺周期。

2 窄矩形通道附加壓降的理論分析

在搖擺工況下船舶流體系統(tǒng)內(nèi)流體的受力分析如圖2 所示。與穩(wěn)態(tài)工況相比搖擺工況下由于旋轉(zhuǎn)特性的影響流體會(huì)受到向心力、切向力和科氏力的作用，同時(shí)作用在流體上的有效重力也會(huì)隨著搖擺角度的不同而發(fā)生變化。流體在附加力的作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度和附加壓降從而導(dǎo)致流體的流量會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)。

式中：ace為向心加速度；ata為切向加速度；aco為科氏加速度；u為流體的速度；r為搖擺軸到流體質(zhì)點(diǎn)的距離；y和z為流體微元的相對(duì)坐標(biāo)。

如圖2 所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)回路沿實(shí)驗(yàn)通道的流動(dòng)方向?qū)α黧w的附加慣性力積分，得到實(shí)驗(yàn)通道的附加壓降為：

圖2 搖擺工況下流體的受力分析Fig.2 Force analysis of fluid element under rolling motion condition

將式（4）～式（6）代入式（7）得：

式中：Acs為窄矩形通道的橫截面積；ρ為實(shí)驗(yàn)流體的密度；g為重力加速；h為2 個(gè)引壓管之間的距離。

由海洋搖擺運(yùn)動(dòng)引起的向心壓降、切向壓降以及重位壓降的變化如圖3～圖5 所示，由于切向壓降與流體回路的積分路徑有關(guān)，其波動(dòng)周期和搖擺周期一致，而向心壓降和重位壓降只與流體起始點(diǎn)的位置有關(guān)，它們的波動(dòng)周期為搖擺周期的一半。隨著搖擺角度的增加和搖擺周期的減小，向心壓降和切向壓降的波動(dòng)振幅明顯增加，且切向壓降的波動(dòng)振幅遠(yuǎn)大于向心壓降的波動(dòng)振幅，也就意味著在搖擺過程中附加切向力對(duì)流體的作用要遠(yuǎn)大于附加向心力的作用。重位壓降的波動(dòng)振幅只與搖擺角度有關(guān)而與搖擺周期無關(guān)，同時(shí)重位壓降的波動(dòng)振幅要大于切向壓降的波動(dòng)振幅。在搖擺運(yùn)動(dòng)中，重力和切向力對(duì)流體的作用效果比較大，而向心力的作用效果比較小。

圖3 附加向心壓降Fig.3 Additional centripetal pressure drop

圖4 附加切向壓降Fig.4 Additional tangential pressure drop

圖5 重位壓降的變化Fig.5 Variation of Gravity pressure drop

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

搖擺角度和搖擺周期對(duì)質(zhì)量流速波動(dòng)特性的影響如圖6 和圖7 所示。在搖擺工況下，質(zhì)量流速的波動(dòng)周期與搖擺周期一致，且隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，質(zhì)量流速的波動(dòng)振幅增加，這主要是因?yàn)樵趩蜗鄥^(qū)域質(zhì)量流速的波動(dòng)主要受到附加壓降的影響，且附加壓降的波動(dòng)振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加。從圖6 和圖7 還可以看出，搖擺工況下的時(shí)均質(zhì)量流速要小于穩(wěn)態(tài)工況下質(zhì)量流速，且隨著質(zhì)量流速波動(dòng)振幅的增加時(shí)均質(zhì)量流速越小。

圖6 搖擺角度對(duì)質(zhì)量流速波動(dòng)的影響Fig.6 Effect of rolling angle on mass flux

圖7 搖擺周期對(duì)質(zhì)量流速波動(dòng)的影響Fig.7 Effect of rolling period on mass flux

質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅能更好地研究搖擺參數(shù)對(duì)質(zhì)量流速波動(dòng)特性的影響，其表達(dá)式為：

式中：Gampr為質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅；Gmax為質(zhì)量流速波動(dòng)的最大值；Gmin為質(zhì)量流速波動(dòng)的最小值；Gta為質(zhì)量流速波動(dòng)的時(shí)均值。

搖擺角度和搖擺周期對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響如圖8 和圖9 所示。在同一雷諾數(shù)下，隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅增加，主要是因?yàn)殡S著搖擺角度和搖擺周期的增加，通道內(nèi)的附加壓降增加，在同一雷諾數(shù)下附加壓降占通道總壓降的份額增加，質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅增加。在雷諾數(shù)小于4 500 的區(qū)域，質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅隨著雷諾數(shù)的增加而快速減小，這主要是因?yàn)樵趽u擺運(yùn)動(dòng)下雷諾數(shù)的增加主要依靠泵驅(qū)動(dòng)壓頭的增加，在雷諾數(shù)小于4 500 的區(qū)域，附加壓降在通道總壓降的份額比較大，隨著雷諾數(shù)的增加，附加壓降的份額快速減小，從而導(dǎo)致質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的快速減小。在雷諾數(shù)大于4 500 的區(qū)域，質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅隨著雷諾數(shù)的增加變化不是很大，且當(dāng)雷諾數(shù)大于10 000 時(shí)，搖擺角度和搖擺頻率對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響很小。

圖8 搖擺角度對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響Fig.8 Effect of rolling angle on relative fluctuation amplitude of mass flux

圖9 搖擺周期對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響Fig.9 Effect of rolling period on relative fluctuation amplitude of mass flux

4 結(jié) 語

在海洋條件下對(duì)流體的流量波動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得出如下結(jié)論：

1）搖擺運(yùn)動(dòng)下流體會(huì)受到切向力、法向力、科氏力的影響導(dǎo)致流量的周期性波動(dòng)，且流量的波動(dòng)周期與搖擺周期一致。

2）隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加，附加向心壓降和附加切向壓降的波動(dòng)振幅明顯增加，且重力和附加切向力對(duì)流體的作用效果遠(yuǎn)大于附加向心力的作用效果。

3）通道質(zhì)量流速的波動(dòng)振幅隨著搖擺角度和搖擺頻率的增加而增加，但時(shí)均質(zhì)量流速隨著波動(dòng)振幅的增加而減小。

4）在搖擺運(yùn)動(dòng)下，質(zhì)量流速的相對(duì)波動(dòng)振幅隨著雷諾數(shù)的增加而減小，在雷諾數(shù)小于4 500 的區(qū)域附加壓降對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響比較大，在雷諾數(shù)大于4 500 的區(qū)域，附加壓降對(duì)質(zhì)量流速相對(duì)波動(dòng)振幅的影響比較小。