長管路均壓移水系統(tǒng)水力特性數(shù)值分析與試驗研究

張 政，肖龍洲，俞 健，蔡標華，鄒雨靜(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

在海上長時間航行的船舶，由于受海流、海浪以及海風等因素的影響，航行的平穩(wěn)性難以避免會受到影響，為保證船舶具有較好的運行平穩(wěn)性與操作性，船舶上設有移水系統(tǒng)，通過2個水箱之間的移水從而實現(xiàn)浮力調節(jié)，進而保證船舶運行的平穩(wěn)性、操作性和安全性。

馬士虎建立移水系統(tǒng)的數(shù)學模型，確定了仿真軟件以及技術接口的組成，最終確立了其程序框圖。朱靖宇提出移水系統(tǒng)的設計方案以及本地電動、本地自動和遙控3種控制系統(tǒng)的研制方案。蔡標華通過AMEsim軟件建立移水系統(tǒng)的模型，分析發(fā)現(xiàn)水錘峰值一般發(fā)生在閥門附近，且延長閥門關閉時間有助于減小移水系統(tǒng)水錘的產生。李斌在其基礎之上通過Flowmaster瞬態(tài)仿真對移水系統(tǒng)水錘抑制的方法進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)兩階段關閥策略以及加裝蓄能元件均能較好的抑制水錘。彭利坤通過AMEsim軟件建立了球閥模型，用于研究移水系統(tǒng)氣移水時管路的沖擊特性，發(fā)現(xiàn)閥后加裝蓄能器和縮短管長均有助于減小壓力沖擊，閥門線性關閉規(guī)律相較正弦關閉規(guī)律所產生的壓力沖擊峰值更小。前述的數(shù)字模型與仿真軟件分析對移水系統(tǒng)的管路特性、水錘與沖擊效應做了充分研究，在移水系統(tǒng)的減振降噪方面發(fā)揮了巨大作用，但是鮮有針對均壓移水系統(tǒng)水力特性的研究。

針對船舶移水系統(tǒng)存在管路長、流量大、存在背壓等問題，本文建立均壓移水系統(tǒng)F l o w m a s t e r模型，通過將移水系統(tǒng)中兩水箱排氣孔相連組成均壓移水系統(tǒng)，通過仿真對均壓移水系統(tǒng)關閥后系統(tǒng)水力特性進行研究，并設計試驗驗證仿真結果的正確性。

1 均壓移水系統(tǒng)建模、仿真與試驗

1.1 均壓移水系統(tǒng)基本原理

均壓移水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。均壓移水系統(tǒng)共有水回路與氣回路2條回路。

圖1 均壓移水系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure-balancing water conveying system

其中水回路的核心元件分別為離心泵，水箱1和水箱2。水箱1和水箱2模擬實際船舶結構中的2個水箱，兩水箱的容積均為1 0 m，每個水箱內初始裝有5 m的水，兩水箱之間的管路長度為 60 m。離心泵負責為均壓移水系統(tǒng)提供動力，將水箱1中的水增壓后輸送至水箱2。另外水回路中還有控制閥、流量調節(jié)閥、單向閥、流量計和壓力傳感器等輔助元件。

氣回路的核心元件為供氣裝置以及供氣調節(jié)閥組，負責為水箱1和水箱2充壓，初始壓力為0 .25 MPa，氣回路管路公稱直徑為15。另外氣回路還包括排氣閥和截止閥等元件，通過將兩水箱頂部出氣口連通，改善水箱因移水而產生的氣壓不平衡現(xiàn)象。

1.2 均壓移水系統(tǒng)運行工況

均壓移水系統(tǒng)根據(jù)控制閥3的開閉情況分為均壓移水與均壓平衡2個工況。

當控制閥3完全關閉前，水回路與氣回路均保持連接狀態(tài)時，系統(tǒng)進入均壓移水工況。水箱1中的水從水回路經離心泵增壓后流入水箱2中，此時因為水箱1中有水流出、水箱2中有水流入，因此水箱1中氣壓降低、水箱2中氣壓升高，兩水箱內氣壓不平衡導致水箱2中氣體通過氣回路進入水箱1中。具體流動情況如圖2所示。當控制閥3完全關閉后，水回路斷開氣回路保持連接，系統(tǒng)進入均壓平衡工況。此時兩水箱內僅有氣體流動而無水流動，因此兩水箱內的氣壓會逐步趨于一致。具體流動情況如圖3所示。

圖2 均壓移水工況Fig. 2 Pressure-balancing water conveying operation condition

圖3 均壓平衡工況Fig. 3 Pressure-balancing air proportion operation condition

1.3 均壓移水系統(tǒng)仿真建模

1.3.1 Flowmaster仿真模型

依據(jù)圖1，在Flowmaster中建立如圖4所示均壓移水系統(tǒng)模型。

在Flowmaster模型中，元件1、元件2、元件3、元件6分別表示水箱1、水箱2、離心泵和控制閥3，分別用表示供氣裝置初始壓力（圖中元件12處壓力），表示水箱1出口壓力（節(jié)點9處壓力），表 示水箱2入口壓力（節(jié)點5處壓力），表示泵出口壓力（節(jié)點1處壓力）。水箱1右側與水箱2左側管路為氣回路，水箱1左側與水箱2右側之間管路為水回路。元件7、元件8、元件9、元件10、元件11所用閥的初始開度為1，元件4和元件6所用控制閥開度為0。仿真開始后水箱1和水箱2中氣壓與元件12相同。通過控制器13將元件11的開度調至0，隨后通過控制器14啟動離心泵，再通過控制器16將元件6的開度調至1，并通過控制器15逐步增大元件4的開度至1，系統(tǒng)運行一段時間后，通過控制器15將閥門4開度調至0，隨后通過控制器14停泵。Flowmaster計算模式為可壓縮瞬態(tài)，時間步長為0.1 s，總時長為500 s。

圖4 均壓移水系統(tǒng)Flowmaster模型Fig. 4 Flowmaster model of pressure-balancing water conveying system

1.4 均壓移水系統(tǒng)均壓移水試驗

試驗開始前，水箱1和水箱2中裝有 5 m的水，確認截止閥1和截止閥2與控制閥1和控制閥2處于全開狀態(tài)，供氣調節(jié)閥組處于關閉狀態(tài)。

試驗開始后，打開供氣調節(jié)閥組向水箱1和水箱2供氣均壓，當兩水箱內氣壓達到 0.25 MPa時停止供氣，并關閉供氣調節(jié)閥組。啟動離心泵，待其出口壓力穩(wěn)定后，打開控制閥3，并逐漸打開流量調節(jié)閥，并觀察流量計，當流量增大至 60 m/h時，停止調節(jié)流量調節(jié)閥，待系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，并記錄相關參數(shù)。最后關閉控制閥3，并停止運行離心泵，系統(tǒng)進入均壓平衡工況并觀察關閥過程中系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并回復試驗臺架至初始狀態(tài)。

2 結果與討論

2.1 仿真結果與試驗驗證

圖5為均壓平衡工況下仿真與試驗結果對比。試驗過程中為防止管路出現(xiàn)嚴重的水錘效應對系統(tǒng)元器件產生破壞，將關閥時間設為5 s?？芍?，，，在均壓平衡工況下的仿真結果與試驗數(shù)據(jù)符合較好，試驗結果驗證了仿真的正確性。

2.2 均壓移水系統(tǒng)水力特性分析

2.2.1 均壓移水工況下管路系統(tǒng)壓力分布

圖5 均壓平衡工況仿真與實驗結果對比（P0 = 0.25 MPa）Fig. 5 Comparison of simulation and experimental results under pressure-balancing air proportion operation condition（P0 = 0.25 MPa）

圖6為根據(jù)仿真結果繪制的在均壓移水工況下150 s時管路系統(tǒng)不同位置壓力分布曲線，其中水回路壓力分布曲線包含，，，泵入口壓力以及水箱1和水箱2液面壓力；氣回路壓力分布曲線只包含水箱1和水箱2液面壓力。均壓移水工況150 s時系統(tǒng)處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，此時水箱1與水箱2之間存在壓力差。

圖6 管路系統(tǒng)不同位置壓力分布（均壓移水工況，P0 = 0.25 MPa）Fig. 6 System pressure distribution （pressure-balancing water conveying operation condition, P0 = 0.25 MPa）

在水回路中，由于水箱1中水壓的影響，相較水箱1液面壓力略有升高。由于水回路管路存在沿程損失因此泵入口處壓力相較有所降低，經過離心泵增壓，相較泵入口壓力大幅升高。同樣，由于管路存在沿程損失因此相 較降低。最后由于水箱2中水壓影響，水箱2液面壓力相較有所降低。

在氣回路中，水箱2到水箱1中僅有沿程損失沒有增壓元器件，因此直接將水箱2液面壓力與水箱1液面壓力相連，水箱2液面壓力高于水箱1液面壓力。

2.2.2 均壓平衡工況壓力變化

圖7為均壓移水系統(tǒng)均壓平衡工況壓力變化曲線。在=18 s前，閥門尚未完全關閉，系統(tǒng)仍處于均壓移水工況，系統(tǒng)中水回路與氣回路保持連接，離心泵將水箱1內的水增壓后輸送至水箱2中，水箱2中氣壓大于水箱1中氣壓因此水箱2中氣體通過氣回路流入水箱1中，這使得減 小，增 大，減小。在=18 s 時，閥門完全關閉，達到最大值 0 .55 MPa，達 到最小值 0.19 MPa ，同時由 0 .65 MPa快速提高至0.78 MPa ，并在停泵前一直維持不變。在=18 s后，系統(tǒng)進入均壓平衡工況，水回路斷開而氣回路仍然保持連接，兩水箱之間沒有水流動，但是兩水箱之間仍存在氣壓不平衡，這使得水箱2中的氣體流入水箱1中，因此關閥后一 直增大，一直減小，直到最后兩水箱內氣壓一同到達 0.28 MPa并維持不變，即兩水箱達到壓力均衡。在 停泵后壓力快速掉落至與相同，為 0.22 MPa ，并在隨后的時間內同一同增大，最后一起達到 0 .28 MPa，實現(xiàn)壓力均衡。

圖7 均壓平衡工況壓力變化（P0 = 0.25 MPa）Fig. 7 Pressure change under pressure-balancing air proportion operation condition (P0 = 0.25 MPa)

2.3 均壓移水系統(tǒng)不同初始壓力仿真

為探究均壓移水系統(tǒng)不同初始壓力對系統(tǒng)均壓平衡工況的影響，通過Flowmaster軟件仿真系統(tǒng)初始壓力分別為 0.1 MPa ， 0 .25 MPa 與 0.4 MPa時系統(tǒng)均壓平衡工況，不同初始壓力下均壓平衡工況和如圖8所示，不同初始壓力下均壓平衡工況泵入口壓力如圖9所示。

圖8 不同P0時均壓平衡工況P1和P2Fig. 8 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different P0

圖9 不同P0下泵入口壓力Fig. 9 Pump inlet pressure under different P0

根據(jù)圖8可知，在=40 s 前，閥門尚未完全關閉，系統(tǒng)仍處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，水箱1和水箱2之間有水與氣流動，此時3種初始壓力下均 在增大、略有增大，且初始壓力越大，和越大；在=40 s后，閥門完全關閉，系統(tǒng)進入均壓平衡工況，系統(tǒng)水回路斷開氣回路保持連接，水箱1和水箱2之間無水流動但水箱2中氣體仍流入水箱1中，此時3種初始壓力下均在減小、均 在增大，直到=190 s 時達到3種初始壓力，和同時達到壓力均衡狀態(tài)，壓力隨后保持不變，3種初始壓力系統(tǒng)停泵后達到壓力均衡所用時間均為1 50 s。

因此初始壓力主要影響和的大小，且初始壓力越大，和相應地就會越大，但不同的初始壓力下系統(tǒng)到達壓力均衡的時間一樣。

圖9為均壓移水系統(tǒng)整個仿真過程中泵入口壓力曲線變化圖?？芍煌跏級毫ο?，初始壓力越大，泵入口壓力越大。由于在開閥階段泵口壓力持續(xù)降低，因此初始壓力越小，泵越容易產生氣蝕，從而對泵的性能產生影響。當初始壓力為 0 .1 MPa時，閥完全打開時泵入口壓力最低僅為 0.03 MPa；而初始壓力為 0.4 MPa時，閥完全打開時泵入口壓力最低可達0.3 MPa，泵更不易產生氣蝕。因此初始壓力越大越有助于抑制氣蝕的產生。

2.4 均壓移水系統(tǒng)氣回路不同管徑仿真

為探究均壓移水系統(tǒng)氣回路管路不同管徑對系統(tǒng)均壓平衡工況的影響，通過Flowmaster軟件仿真氣回路管路公稱直徑分別為10，15與20 時系統(tǒng)均壓平衡工況，不同管徑下均壓平衡工況和如圖10所示。

圖10 不同管徑下氣回路均壓平衡工況P1和P2(P0 = 0.25 MPa)Fig. 10 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different pipe diameters(P0 = 0.25 MPa)

可知，在=70之前，閥門尚未完全關閉，系統(tǒng)處于均壓移水工況，水回路與氣回路均保持連接，水箱1和水箱2之間有水與氣流流動，此時3種管徑下均在增大、略 有增大，其中管徑越大的越 小、越大，即和之 間壓差越小；在=70 s后，閥門完全關閉，系統(tǒng)進入均壓平衡工況，水回路斷開氣回路保持連接，水箱1和水箱2之間無水流動但水箱2中氣體仍流入水箱1中，此時3種管徑下均在減小、均在增大，但不同管徑下壓力變化的速度不同，管徑越大不僅壓差越小，壓力變化速度也越快，因此到達壓力均衡所用時間越短：20 在=130 s時就達到壓力均衡狀態(tài)，用時 60 s；15 在=220 s達到壓力均衡狀態(tài)，用時1 50 s ； DN10在=680 s時才達到壓力均衡狀態(tài)，用時 610 s。但最終3種管徑達到壓力均衡時的壓力相同。

因此不同管徑不僅影響和的大小，管徑越大，在關閥前越 大且越 小，和之間的壓差越?。欢視绊懴到y(tǒng)到達壓力均衡的時間，管徑越大，到達壓力均衡的時間越短，但不會影響最終水箱內壓力值。

3 結 語

本文通過將船舶移水系統(tǒng)中兩水箱排氣孔相連從而組成均壓移水系統(tǒng)，用Flowmaster軟件對均壓移水系統(tǒng)的水力特性進行仿真，并通過試驗驗證仿真結果的正確性，得出以下結論：

1）關閥后系統(tǒng)進入均壓平衡狀態(tài)，由于水回路斷開氣回路保持連接，和會 逐步趨于一致，會在停泵后下降至與相同大小，并最終達到壓力均衡。

2）隨著系統(tǒng)初始壓力的 增大，和和泵入口處壓力增大，有助于抑制泵的氣蝕，但初始壓力的變化不會影響系統(tǒng)達到壓力均衡的時間。

3）隨著系統(tǒng)氣回路管徑的增大，關閥前減小增 大，且-減小，在關閥后系統(tǒng)到達壓力均衡的時間減小。