注水系統三級節流降噪設計及數值分析

方超，馬士虎，蔡標華，俞健

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注水系統三級節流降噪設計及數值分析

方超，馬士虎，蔡標華，俞健

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064)

大壓差工況下，流量調節閥的節流作用導致自流注水系統振動噪聲問題突出。為控制自流注水系統的噪聲，從系統配置的角度進行系統降噪優化設計，提出了多級節流的降噪方案。采用流體動力學數值方法進行了多級節流低噪聲設計原理分析，驗證了多級節流降噪方案的有效性。基于低噪聲設計原理，設計了三級流量調節閥串聯的節流注水方案，并對三級節流系統進行了流場數值分析，數值分析結果表明：三級節流設計使各級閥后低壓區減小，避免了閥后局部氣蝕出現；一級閥門和二級閥門進口下緣及出口上緣均出現大尺度的漩渦結構，為主要噪聲源區域。

流量調節閥；三級節流；振動噪聲；流場計算

0 引言

自流注水系統利用舷外和艙內壓力差對水艙進行自流注水達到均衡船舶浮力變化的目的。傳統注水系統采用單級流量調節閥控制注水流量，在高壓差條件下，系統內部流體紊流度高，氣蝕現象嚴重，系統整體噪聲級較高，對于總體環境有不利影響，迫切需要治理和改善。

國內外研究者在海水系統噪聲治理方面進行了大量研究，工程實際中采取的降噪措施主要有多級節流、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構降低系統氣蝕噪聲；Y Liu等[4]以單級節流孔、二級節流孔以及三級節流孔作為研究對象，在系統背壓相同、進口壓力不同的實驗條件下研究其空化特性，結果表明，空化程度與節流孔級數和工況壓力都密切相關；吳杰[5]進行了多級降壓高壓差調節閥的設計，閥芯采用串級降壓的形式，降低了調節閥噪聲。目前，研究涉及多種管路系統和噪聲治理方法，但是較少見利用多級流量調節閥串聯進行系統噪聲治理的文獻報道。

本文重點分析了高壓差自流注水系統噪聲產生的機理，從系統配置的角度提出了三級閥門串聯節流的優化設計方案，并建立簡單二維模型對三級節流的低噪聲設計原理進行了分析，驗證了三級節流降噪方案的有效性。基于三級節流的低噪聲設計原理，對自流注水系統三級節流結構進行了設計，最后運用計算流體力學的方法對三級節流系統進行流場數值分析。

1 注水系統噪聲源及機理分析

如圖1所示，注水系統主要由管道、閥門以及浮力調整水艙等部分組成。根據注水系統設計運行工況要求，系統在1.8 MPa的高壓差條件下采用單級閥門節流完成注水動作。

圖1 自流注水系統原理圖

在高壓差條件下，由于注水系統閥門的節流作用，海水介質通過閥門時流速迅速增大，海水介質壓力降低，當海水介質壓力低于蒸汽飽和壓力時，海水介質發生空化，產生強烈的空化噪聲。同時，在閥門前后高壓差條件下，系統內部流動狀態復雜，紊流程度高，湍流噪聲顯著。空化噪聲與湍流噪聲是自流注水系統的主要噪聲源。

按照國際電工委員會發布的《IEC 60534-8-3: 2000》標準中閥門-噪聲的相關描述，閥門噪聲主要與閥門流量、閥門前后壓差、流體介質密度以及閥門是否空化等密切相關。注水系統流量一定時，可通過降低閥門壓差抑制閥門噪聲。通過上述分析可知，宜采用多級閥門串聯逐級降壓的技術方案對自流注水系統閥門空化噪聲和湍流噪聲進行治理。

2 三級節流降噪設計原理

通過將三級流量調節閥串聯可提高單級流量調節閥下游壓力，減小單級閥門壓差，避免閥門下游流體氣蝕，抑制氣蝕噪聲，同時可有效減小流體壁面壓力脈動和湍流強度，降低湍流噪聲。

為說明三級節流的低噪聲設計效果，本文建立結構簡單的二維模型進行計算對比。根據多級節流設計原則[6]，各級節流壓降按照幾何級數遞減設計，因此，三級節流系統各級閥門開度逐級遞增。由于三級節流孔串聯的降噪原理與三級閥門串聯的降噪原理相同，模型中以直徑逐級增大的節流孔替代開度逐級增大的調節閥作為阻力元件。目前尚無合適的模型可用于計算流體空化，但是流場壓力分布可間接反映流體空化與否及空化程度，可對空化噪聲及湍流噪聲進行定性分析及評價。因此本文采用二維大渦模擬模型監測流場壓力脈動，通過壓力脈動對比，對三級節流的降噪效果進行評價。

如圖2所示，模型-1為單級節流網格模型，出流和入流管段直徑為100 mm，節流孔徑為29.5 mm，孔長100 mm；模型-2為三級節流網格模型，出流和入流直徑為100 mm，第一級節流孔徑為35mm，第二級節流孔徑為37.5 mm，第三級節流孔徑為43 mm，三級節流孔孔長均為100 mm。模型-1和模型-2的幾何尺寸均由數值試驗確定，試驗的目標是使模型-1和模型-2具有相同的阻力系數。進出口分別設置為壓力進口和速度出口，其中進口壓力設為1.8 MPa，出口速度設為4 m.s-1，沿流向取3個監測點P1、P2、P3。

圖2 三級節流低噪聲設計驗證模型

圖3為運用二維計算流體動力學方法得到的模型-1和模型-2各監測點的脈動壓力幅值。由模型-1和模型-2對比可知，在相同的阻力系數下，三級節流三個測點P1、P2、P3脈動壓力幅值均較單級節流減小15 dB(參考壓力為10-6MPa)以上。由此可知，采用三級閥門串聯的節流注水方案符合低噪聲設計要求。

圖3 模型-1和模型-2監測點脈動壓力計算結果

3 三級節流注水系統數值分析

3.1 注水系統三級節流設計模型

基于三級節流低噪聲設計原理，完成了自流注水系統三級節流的結構設計，注水系統由三臺球閥串聯共同調節系統注水流量，如圖4所示。

圖4 注水系統三級節流結構

注水系統進出口及閥門之間管道內徑均為100 mm，流量調節閥類型為球閥，閥芯通徑為80 mm。一定工況下，為使三級注水系統與單級注水系統具有相同的注水流量，三級節流系統各閥門總阻力系數應與單級節流系統閥門阻力系數相同，因此，注水時增大三級節流系統各級閥門開度，并且逐級增大，可有效降低閥門內的流體流速，避免各級流量調節閥后發生氣蝕。

3.2 三級節流管路流場特性分析

3.2.1 計算網格模型及參數設置

注水系統三級節流模型閥門附近結構復雜，管道結構簡單，為兼顧計算效率和計算精度，采用混合網格劃分方案，閥門附近采用非結構化網格且網格適當細化，管道處采用結構化網格且網格略微粗化。如圖5所示，計算區域從左至右分為入流、一級節流閥、中間管段-1、二級節流閥、中間管段-2、三級節流閥、出流七個部分，網格總數為424萬，其中入流包含77萬六面體網格，一級節流閥包含50萬四面體網格，中間管段-1包含78萬六面體網格，二級節流閥包含51萬四面體網格，中間管段-2包含28萬六面體網格，三級節流閥包含50萬四面體網格，出流包含90萬六面體網格。

圖5 整體網格模型

3.2.2 流場特性計算結果分析

三級節流注水系統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降低，閥門前后壓差減小，且一級節流閥至三級節流閥壓降依次變小。一級至三級節流閥后均出現局部壓力降低，但未降至飽和蒸汽壓力以下，三級節流系統未出現空化現象，原因是后級閥門對上級閥門形成壓力阻塞作用，使流體介質的流速降低，平穩降壓，抑制了低壓區域的形成，這也說明了三級節流抑制空化現象的有效性。由速度分布云圖6(b)可以看出，閥門附近速度梯度較大，流動不均勻變強。注水系統后續的進一步優化設計應集中在控制閥門附近流動不穩定性上。

圖6 三級節流系統橫截面流動特性

三級節流注水系統速度矢量分布規律如圖7所示。由速度矢量分布圖可以看出，由于閥門進口上緣和出口下緣流體突然加速，閥門進口下緣和閥門出口后方出現大尺度的漩渦結構，而根據渦聲理論[7]，漩渦是流噪聲的主要來源[8-9]。一級和二級節流閥后均未出現單級節流時常出現的卷吸現象[10]，射流現象明顯減弱，原因是后級閥門對上級閥門形成了一定的阻塞作用，中心流域流體對外周流域的卷吸作用被抑制，渦量和漩渦強度進一步減小，三級節流使注水系統的湍流噪聲被有效抑制。

圖7 三級節流注水系統速度矢量分布規律

4 結論

本文分析了注水系統噪聲源及噪聲產生機理，基于系統噪聲產生機理，提出了三級節流的降噪方案，建立簡單的二維模型并采用計算流體力學的方法對三級節流的設計原理進行驗證。最后給出了注水系統三級節流的設計模型，并選取典型工況進行了流場數值分析，得到了以下結論：

(1) 三級節流設計使閥后低壓區減小，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生；

(2) 后級閥門的阻塞作用使閥后射流現象有所減弱，渦量和漩渦強度減小，注水系統的湍流噪聲被抑制；

(3) 三級節流注水系統的一級節流閥和二級節流閥的進口下緣和出口上緣均出現大尺度的漩渦結構，是系統的主要噪聲源區域，后續優化設計中應予以考慮。

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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

國家自然科學基金資助項目(51509192)

方超(1991－), 男, 湖北黃岡人, 碩士研究生, 研究方向為船舶機械裝置及系統。

馬士虎, E-mail: 1579416524@qq.com