熊鵬俊，朱求源，尚 峰，周愛(ài)民，余 濤

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；3. 海軍駐431廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

幾種典型船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的特性分析及研究

熊鵬俊1，朱求源2，尚 峰3，周愛(ài)民2，余 濤2

(1. 海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；3. 海軍駐431廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥是空調(diào)系統(tǒng)空氣管路不可或缺的一部分，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法分析現(xiàn)有的3種典型的船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的流量特性和阻力特性，利用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行其性能驗(yàn)證，并分析閥門(mén)的再生噪聲特性。數(shù)值模擬、性能試驗(yàn)以及噪聲特性的分析結(jié)果可以為船用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)。

風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)；流量和阻力特性；低噪聲

0 引 言

船用空調(diào)系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)和控制船舶艙室內(nèi)不同區(qū)域的環(huán)境空氣溫濕度。對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)而言，其用戶(hù)的需求和區(qū)域的熱負(fù)荷各不相同，因此不同區(qū)域所需風(fēng)量也不盡相同。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果單純的通過(guò)送風(fēng)管路管徑的變化去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)末端的風(fēng)量分配，會(huì)存在較大的難度，并且工況變化時(shí)，系統(tǒng)風(fēng)量很難實(shí)現(xiàn)與實(shí)際熱負(fù)荷相匹配。因此在實(shí)際工程中，空調(diào)系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在送風(fēng)管路上的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)的分支管路的風(fēng)量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)分配，從而使得各個(gè)末端的風(fēng)量達(dá)到系統(tǒng)風(fēng)量分配的平衡調(diào)節(jié)要求。除此之外，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往更多的關(guān)注冷水機(jī)組，水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，對(duì)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的再生氣流噪聲卻重視不夠[1]，而減振降噪已成為船用空調(diào)系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)之一[2–3]，國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的噪聲相關(guān)研究很少，搭建的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)架也主要是用于研究風(fēng)閥的流量和阻力特性[4]，對(duì)于風(fēng)閥的再生噪聲研究基本出去空白階段，因此開(kāi)展風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的噪聲研究很有必要。

在船用空調(diào)系統(tǒng)中，單葉閥門(mén)、對(duì)開(kāi)多葉閥門(mén)和平行多葉閥門(mén)這3種閥門(mén)應(yīng)用較為廣泛。因此本文主要選用這3種閥門(mén)作為研究分析對(duì)象。

本文主要采用了數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)物臺(tái)架實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法分析和研究3種典型的船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。首先建立了單葉閥門(mén)、對(duì)開(kāi)多葉閥門(mén)和平行多葉閥門(mén)3種典型的船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬模型，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件[4–5]對(duì)3種不同的閥門(mén)進(jìn)行流場(chǎng)特性、阻力特性的分析及研究；利用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行其性能驗(yàn)證，并分析閥門(mén)的再生噪聲特性。數(shù)值模擬、性能試驗(yàn)以及噪聲特性的分析結(jié)果可為船用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬分析

風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，其工作原理在于利用流通面積的變化實(shí)現(xiàn)支路阻力的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到水力平衡狀態(tài)，維持各個(gè)末端的送風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。風(fēng)量調(diào)節(jié)閥主要由閥體、閥板（葉片）、調(diào)節(jié)手柄、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、填料函等部件組成，根據(jù)閥的葉片類(lèi)型，可分為單葉閥門(mén)、對(duì)開(kāi)多葉閥門(mén)和平行多葉閥門(mén)等多種型式。

1.1 物理模型

在建立3種典型的船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥時(shí)，把調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)化成為一個(gè)內(nèi)含導(dǎo)流葉片風(fēng)通道，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的其他部件如驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)手柄等簡(jiǎn)化處理。對(duì)3種典型的船用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的簡(jiǎn)化物理模型如圖1所示。

遵循單一變量原則，3種風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的截面都為280 mm×190 mm（寬×高），其中單葉閥門(mén)的閥片規(guī)格為280 mm×190 mm（寬×高）；對(duì)開(kāi)多葉閥門(mén)的閥片規(guī)格為46.66 mm×190 mm（寬×高），共6片；平行多葉閥門(mén)的閥片規(guī)格為46.66 mm×280 mm（寬×高），共6片。

1.2 數(shù)值建模及邊界條件

采用CFD軟件建立閥門(mén)及連接的管道的三維物理模型，對(duì)其物理邊界簡(jiǎn)化后，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其中風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，出口為充分發(fā)展條件，閥片及壁面設(shè)置為無(wú)滑移。計(jì)算模型采用湍流模型，非結(jié)構(gòu)化SIMPLE算法，介質(zhì)為常溫常壓下的不可壓縮空氣。

為了便于分析閥的特性，將3種閥的出口均與等截面的方形管道進(jìn)行連接，并保證入口的管路長(zhǎng)度不小于5倍的閥特征尺寸，出口的長(zhǎng)度不小于10倍的閥特征尺寸，數(shù)值模擬模型如圖2所示。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，針對(duì)閥體前后通徑1倍的局部區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，該區(qū)域加密是對(duì)區(qū)域3個(gè)方向的網(wǎng)格同時(shí)加密。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬分析時(shí)，進(jìn)行了多工況的模擬，分析了單葉、平行多葉、對(duì)開(kāi)多葉3種閥門(mén)在不同的開(kāi)度條件下和不同的進(jìn)口流速下的流量特性和阻力特性，但是由于篇幅有限，本文就以3種閥門(mén)在進(jìn)口風(fēng)速為10 m/s，閥門(mén)開(kāi)度為60°情況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果作為分析對(duì)象進(jìn)行分析和研究，并對(duì)典型截面的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了分析?？紤]的典型截面為：沿氣流方向閥體中心的平行截面。

圖3～圖4分別為單葉、平行多葉、對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥在 60° 開(kāi)度下的典型截面的流場(chǎng)速度云圖。由圖可知，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為 60° 時(shí)，單葉調(diào)節(jié)閥的出口流場(chǎng)復(fù)雜，單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)中最高流速約為32 m/s并出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，平行多葉和對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)中最高流速都約為23 m/s左右，均小于單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。

圖3～圖5同時(shí)表明，距離閥口越遠(yuǎn)，速度分布越均勻。在距離閥口1倍直徑處，對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的速度最為均勻。平行多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥次之。對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥閥后只需約1倍直徑的距離，流場(chǎng)就已充分發(fā)展分布均勻，而單葉閥需要的距離則遠(yuǎn)很多。

同時(shí)根據(jù)磨損機(jī)理可知，流場(chǎng)的不均勻性和偏流，更容易導(dǎo)致閥片的磨損[6]。

圖6～圖8分別為單葉、平行多葉、對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥在60°開(kāi)度下的典型截面的靜壓云圖。該圖表明平行多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的局部阻力最小，阻力損失最小，阻力系數(shù)最小。表1為3種風(fēng)量調(diào)節(jié)閥在不同開(kāi)度下的調(diào)節(jié)閥阻力損失。該表同樣表明平行多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的局部阻力最小，閥門(mén)開(kāi)度越小，差異越大，在小開(kāi)度時(shí)，傳統(tǒng)單葉閥阻力極大。一般而言，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)越大，其再生噪聲越大。

表 1 風(fēng)量調(diào)節(jié)閥額定流量進(jìn)出口靜壓損失分析（Pa）

2 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

為了對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行一個(gè)論證，同時(shí)為了測(cè)量風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲，本文搭建了風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)裝置原理如圖9所示。

試驗(yàn)臺(tái)架的通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)提供，送風(fēng)系統(tǒng)管路上布置了旁通管路，以保證通過(guò)試驗(yàn)風(fēng)閥的風(fēng)量滿足實(shí)驗(yàn)要求，可通過(guò)風(fēng)量測(cè)量點(diǎn)和調(diào)節(jié)旁通支路確定實(shí)驗(yàn)閥體的來(lái)流速度和通過(guò)閥體的風(fēng)量。同時(shí)在閥的前后端分別布置了U型微壓計(jì)測(cè)量系統(tǒng)和噪聲測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)U型微壓計(jì)可測(cè)量出閥體前后的靜壓值。在進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)，為了杜絕風(fēng)機(jī)噪聲和其他噪聲源的干擾，在測(cè)量閥出口的噪聲時(shí)，將其測(cè)量點(diǎn)布置在一個(gè)密小室內(nèi)。入口噪聲測(cè)量點(diǎn)布置在閥體前的管道內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了保證試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較的可比性，選取了與數(shù)值模擬模型完全一致的風(fēng)閥進(jìn)行試驗(yàn)。CFD可以準(zhǔn)確的分析風(fēng)閥的流量特性和阻力特性，并且與試驗(yàn)結(jié)果一致[4]。

本文在進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)研究時(shí)，同樣進(jìn)行了多工況的模擬，分析了單葉、平行多葉、對(duì)開(kāi)多葉3種閥門(mén)在不同的開(kāi)度條件下和不同的進(jìn)口流速下的流量特性、阻力特性和再生噪聲特性。風(fēng)閥的流量特性和阻力特性前期已經(jīng)通過(guò)CFD進(jìn)行了模擬分析，本文的試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果也是基本一致，除此之外本文還主要進(jìn)行了閥門(mén)再生噪聲的試驗(yàn)研究。

通過(guò)噪聲測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)量出單葉、平行多葉、對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥在不同開(kāi)度和不同流量下的再生噪聲數(shù)值。在此選取了3種閥門(mén)在60°開(kāi)度不同流量下的噪聲曲線為分析對(duì)象。圖10為3種閥門(mén)在60°開(kāi)度不同流量下的再生噪聲曲線，通過(guò)該圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)閥的風(fēng)量較小時(shí)3種風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值相差不大，但是隨著風(fēng)量的增加，風(fēng)閥的再生聲也隨之增加，其中單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲增加較為迅速，最大噪聲值可達(dá)到15 dBa，不利于整個(gè)船舶空調(diào)系統(tǒng)的減振降噪。

圖11為多葉對(duì)開(kāi)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥在不同開(kāi)度不同流量下的再生噪聲曲線，該圖表明當(dāng)流量較小時(shí)，閥在不同開(kāi)度下的再生噪聲數(shù)值基本一致，但是當(dāng)流量較大時(shí)，閥的再生噪聲也就隨之會(huì)增加。同時(shí)閥的開(kāi)度對(duì)閥的再生噪聲值也有影響，開(kāi)度越大，再生噪聲越小，部分情況下還會(huì)出現(xiàn)消聲（即再生噪聲數(shù)值為負(fù)值）的現(xiàn)象。而當(dāng)閥的開(kāi)度較小為30°流量較大時(shí)，再生噪聲可以達(dá)到20 dB（A）。

通過(guò)分析3種風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲曲線可知，單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值較高，為了保證船用空調(diào)系統(tǒng)的空氣噪聲控制目標(biāo)，不建議在船上使用單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行空調(diào)風(fēng)量的調(diào)節(jié)（作為工況切換閥，設(shè)計(jì)選型可不受限制）；同時(shí)在選用閥件調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量時(shí)盡量保證閥的開(kāi)度，這樣也閥體的再生噪聲數(shù)值也較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了3種典型船用空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥（單葉，平行多葉和對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥）的數(shù)值模擬模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明平行多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和對(duì)開(kāi)多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的的阻力特性和流量特性都比較好，單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的特性最差。進(jìn)一步通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)，分析了3種閥門(mén)的再生噪聲，結(jié)果表明閥的開(kāi)度和流量都對(duì)再生噪聲有影響，風(fēng)閥的再生聲也隨開(kāi)度的減小和風(fēng)量的增大而增加。其中在相同開(kāi)度下，單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的再生噪聲數(shù)值最高。因此通過(guò)分析3種風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的流量特性，阻力特性和再生噪聲特性，可為船用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥提供一定的參考依據(jù)，建議在系統(tǒng)管路上設(shè)計(jì)選型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥時(shí)，系統(tǒng)管路安裝空間允許的情況下盡量選用多葉閥。

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The characteristic analysis and research of the different typical marine air flow regulating valve

XIONG Peng-jun1, ZHU Qiu-yuan2, SHANG Feng3, ZHOU Ai-min2, YU Tao2
(1. Navy Representative Office in the 719 Research Insitute of CSIC, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 3. Navy Representative Office in No. 431 Plant, Huludao 125004, China)

Marine air flow regulating valve is the important part of the air-condition system. Computational fluid dynamics method is used to simluate the flow characteristic and resistance characteristic of the exist three typical marine air flow regulating valves. Then an experiment rig is established to present the noise characteristic of the air flow regulating valves. Therefore the results of the simluation and experiment is used to select the marine air flow regulating valve of air conditioning system for reference.

air flow regulating valve；CFD；experiment rig；flow and resistance characteristic；low noise

TB472

A

1672 – 7649(2017)08 – 0096 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.020

2016 – 09 – 25；

2016 – 12 – 15

熊鵬俊(1987 – )，男，高級(jí)工程師，主要從事武備電子專(zhuān)業(yè)研究。