船舶凝水調節管道新型節流孔板設計研究

楊元龍

（中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064）

引 言

船用凝水調節管道節流孔板是在一定壓力條件下對管道中流體進行限流降壓的特種設備［1］。由于節流孔板結構與凝水系統管路運行參數匹配性差，導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頻繁發生，而節流孔板汽蝕的誘發機理復雜，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，孔板對流體節流降壓，促使流體流速升高，對局部管件產生極大的沖擊動量而誘發管件壁厚減薄［5］。因此船舶凝水調節系統管路上節流孔板設計的不合理必然會導致管路劇烈振動噪聲并誘發局部管件失效，進而極大影響了船舶凝水系統管路的安全性和穩定性。

目前國內外學者針對節流孔板結構設計及節流特性做了大量研究［6－20］。大多學者依據 “防止孔板汽蝕，避免振動噪聲”原則進行孔板結構設計，鮮有涉及考慮降低沖擊管壁動量的研究報道。實際上，“防止孔板汽蝕”與 “降低沖擊管壁動量”是交互耦合的設計體系。本文基于消聲器減振降噪機理，提出斜孔對沖式節流孔板，引入伯努利方程和阻塞壓差計算方法，進行節流孔板孔徑、級數和厚度的校核計算，得到適用于凝水調節管道的斜孔式多級節流孔板結構，并利用CFD手段對所設計的單級和二級斜孔式孔板節流特性進行數值驗證，分析了節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流孔板。

1 多級斜孔式節流孔板設計

1.1 基本控制方程

為防止高壓凝水系統節流孔板誘發汽蝕而產生管路高頻振動和尖銳噪聲，需配置多級節流孔板；基于消聲器的原理，利用多個小節流孔代替大節流孔，將聲波中駐波演變成行波，降低噪聲峰值頻率；由于節流孔板下游為直角彎頭，為降低節流后的流體對管道及彎頭的沖擊強度，小節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 設計方案

1.2.1 節流孔徑計算 基于伯努利方程可知，孔板節流孔總面積計算式為

根據斜孔式節流孔板設計機理，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，各級孔板上節流孔沿軸線對稱布置且孔徑均相等。因此節流圓孔直徑為

1.2.2 節流孔數量配置 為降低節流孔對沖射流能量，減小節流孔板軸向流體流速，沿軸向各級孔板上節流孔總面積逐漸增大，因此孔板上斜孔數量按照等差遞增級數方式對稱配置，即

1.2.3 孔板級數匹配 將節流孔板發生汽蝕時的流體臨界壓降為阻塞壓差，阻塞壓降的表達式為

臨界壓力比系數計算式為

滿足阻塞壓降的判定條件下，由流體質量守恒可知

各級孔板壓差匹配關系式為

1.2.4 孔板厚度的校核 節流孔板厚度計算校核的計算式為

2 設計輸出

凝水調節管系運行參數：管道內徑為77mm，流量為60t·h－1，溫度為30℃，密度為995.62 kg·m－3，凝水進口壓力為3.3MPa，背壓為0.15MPa。根據上述設計方案進行斜孔式節流孔板設計，其具體設計輸出數據見表1。

表1 節流孔板設計計算Tab.1 Design and calculation for throttle orifice

3 數值驗證

3.1 單級斜孔式孔板節流特性

圖1 節流孔板結構Fig.1 Structure of throttle orifice

基于上述斜孔式節流孔板的結構設計，利用ICEM軟件進行三維建模 （圖1）及網格劃分。如圖2所示，采用非結構化網格方式進行處理，近壁區域添加邊界層網格，為保證孔板湍流特性的計算精度，對節流孔板局部網格進行細化。基于網格敏感性分析，確定計算域共計25萬個網格單元。

圖2 網格模型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）。當流體流經孔板時，由于孔板上節流孔較小，促使流速急劇升高，最高流速達到55m·s－1，流速相應增大11倍，節流孔板下游流域，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示出了斜孔式節流孔板前后流動規律。從圖4可以看出，由于孔板上兩個節流孔直徑較小，導致流體穿過節流孔時產生射流現象，同時，兩個節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對沖模式，使流體射流能量相互抵消，降低流體沖擊動能。但在節流孔板下游形成局部渦流，極易誘發低頻振動。

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律，究其原因主要是孔板下游流體流速下降，流體動壓能轉換為靜壓能，使得壓力快速升高。從圖中還可以發現，在節流孔板的局部流域形成了負壓區域，該區域流體壓力低于凝水溫度為30℃對應的飽和壓力4.25kPa，極易導致凝水汽化，進而誘發流體發生汽蝕現象，從而導致凝水管路節流孔板的劇烈振動。因此，理論計算設計數據也驗證單級斜孔式孔板節流特性的數值模擬結果。

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 兩級斜孔式孔板節流特性

由于單級孔板節流易導致孔板局部流體汽蝕，因此根據多級斜孔式孔板的結構設計，對兩級斜孔式孔板節流特性進行計算。

圖7給出了兩級斜孔式節流孔板前后流線變化規律。由圖7可見，流體流過第1級孔板上兩個節流孔后，由于第2級節流孔板的結構作用，擾亂流體的流場分布規律，使得流體水力結構重新匹配，流體以較低流速穿過第2級孔板上4個節流孔。

圖7 兩級孔板流動分布規律Fig.7 Flow distributions of two－stage orifice plate

兩級斜孔式節流孔板前后區域流速矢量分布規律如圖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級節流孔板，在兩級孔板之間流域形成局部高強度對沖射流現象，降低流體射流沖擊能量。由于第2級孔板提高節流孔數量，增大流體流通面積，導致流速下降，進而促使對流沖擊能量降低，減少流體對管路的高強度沖刷。另外，第2級孔板下游并未產生大尺寸渦流，說明凝水系統管路不會產生低頻湍流脈動。

圖8 兩級孔板流速矢量分布規律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，在兩級節流孔板的連續導流作用下，在兩個孔板間呈現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律。沿著凝水管路軸向長度的方向，由于節流孔板的阻力作用，導致壓力逐漸降低。從圖中還可以發現，節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，導致流體動能降低，轉化為流體壓力升高。從圖中還可以看出，兩級節流孔板下游區域均沒有負壓區產生，且孔板節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），因此兩級斜孔式節流孔板緩解管路汽蝕現象的發生，且降低流體對管路的沖刷強度，與理論設計結果吻合較好。

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 論

本文基于消聲器減振降噪機理，提出了具有“防止節流孔板汽蝕，降低流體沖刷管路強度”功效的新型斜孔對沖式節流孔板，引入伯努利方程和阻塞壓差計算方法，進行節流孔板孔徑、級數和厚度的校核計算，得到適用于凝水調節管道的兩級斜孔式節流孔板，并利用CFD手段對理論設計的單級和二級斜孔式孔板節流特性進行數值分析，計算結果表明單級節流孔板下游局部流域誘發大尺度渦流和汽蝕現象，易導致凝水管路振動；二級節流孔板不僅可以規避孔板誘發汽蝕，還能實現流體對沖射流效應，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管道節流孔板結構設計提供一定理論基礎。

符 號 說 明

A——孔板節流孔總面積，m2

Cq——管嘴流量系數

Dk——節流孔直徑，m

di——管道內徑，mm

Ff——臨界壓力比系數

Fl——壓力恢復系數，取值為0.9

M——孔板上節流孔數量，個

n——孔板級數

Δp——孔板節流前后壓差，MPa

pc——水的熱力學臨界壓力，MPa

pin——進口壓力，MPa

Δps——阻塞壓差，MPa

pw——設計溫度下飽和蒸氣壓力，MPa

Q——體積流量，m3·s－1

δ——節流孔板的厚度，mm

ρ——密度，kg.m－3

［σ］t——設計溫度下管材的許用應力，MPa

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