方超，馬士虎，蔡標華，俞健

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注水系統(tǒng)三級節(jié)流降噪設(shè)計及數(shù)值分析

方超，馬士虎，蔡標華，俞健

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064)

大壓差工況下，流量調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用導(dǎo)致自流注水系統(tǒng)振動噪聲問題突出。為控制自流注水系統(tǒng)的噪聲，從系統(tǒng)配置的角度進行系統(tǒng)降噪優(yōu)化設(shè)計，提出了多級節(jié)流的降噪方案。采用流體動力學(xué)數(shù)值方法進行了多級節(jié)流低噪聲設(shè)計原理分析，驗證了多級節(jié)流降噪方案的有效性?；诘驮肼曉O(shè)計原理，設(shè)計了三級流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)的節(jié)流注水方案，并對三級節(jié)流系統(tǒng)進行了流場數(shù)值分析，數(shù)值分析結(jié)果表明：三級節(jié)流設(shè)計使各級閥后低壓區(qū)減小，避免了閥后局部氣蝕出現(xiàn)；一級閥門和二級閥門進口下緣及出口上緣均出現(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，為主要噪聲源區(qū)域。

流量調(diào)節(jié)閥；三級節(jié)流；振動噪聲；流場計算

0 引言

自流注水系統(tǒng)利用舷外和艙內(nèi)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(tǒng)注水系統(tǒng)采用單級流量調(diào)節(jié)閥控制注水流量，在高壓差條件下，系統(tǒng)內(nèi)部流體紊流度高，氣蝕現(xiàn)象嚴重，系統(tǒng)整體噪聲級較高，對于總體環(huán)境有不利影響，迫切需要治理和改善。

國內(nèi)外研究者在海水系統(tǒng)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(jié)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(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)氣蝕噪聲；Y Liu等[4]以單級節(jié)流孔、二級節(jié)流孔以及三級節(jié)流孔作為研究對象，在系統(tǒng)背壓相同、進口壓力不同的實驗條件下研究其空化特性，結(jié)果表明，空化程度與節(jié)流孔級數(shù)和工況壓力都密切相關(guān)；吳杰[5]進行了多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥的設(shè)計，閥芯采用串級降壓的形式，降低了調(diào)節(jié)閥噪聲。目前，研究涉及多種管路系統(tǒng)和噪聲治理方法，但是較少見利用多級流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)進行系統(tǒng)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(tǒng)噪聲產(chǎn)生的機理，從系統(tǒng)配置的角度提出了三級閥門串聯(lián)節(jié)流的優(yōu)化設(shè)計方案，并建立簡單二維模型對三級節(jié)流的低噪聲設(shè)計原理進行了分析，驗證了三級節(jié)流降噪方案的有效性。基于三級節(jié)流的低噪聲設(shè)計原理，對自流注水系統(tǒng)三級節(jié)流結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，最后運用計算流體力學(xué)的方法對三級節(jié)流系統(tǒng)進行流場數(shù)值分析。

1 注水系統(tǒng)噪聲源及機理分析

如圖1所示，注水系統(tǒng)主要由管道、閥門以及浮力調(diào)整水艙等部分組成。根據(jù)注水系統(tǒng)設(shè)計運行工況要求，系統(tǒng)在1.8 MPa的高壓差條件下采用單級閥門節(jié)流完成注水動作。

圖1 自流注水系統(tǒng)原理圖

在高壓差條件下，由于注水系統(tǒng)閥門的節(jié)流作用，海水介質(zhì)通過閥門時流速迅速增大，海水介質(zhì)壓力降低，當(dāng)海水介質(zhì)壓力低于蒸汽飽和壓力時，海水介質(zhì)發(fā)生空化，產(chǎn)生強烈的空化噪聲。同時，在閥門前后高壓差條件下，系統(tǒng)內(nèi)部流動狀態(tài)復(fù)雜，紊流程度高，湍流噪聲顯著?？栈肼暸c湍流噪聲是自流注水系統(tǒng)的主要噪聲源。

按照國際電工委員會發(fā)布的《IEC 60534-8-3: 2000》標準中閥門-噪聲的相關(guān)描述，閥門噪聲主要與閥門流量、閥門前后壓差、流體介質(zhì)密度以及閥門是否空化等密切相關(guān)。注水系統(tǒng)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(lián)逐級降壓的技術(shù)方案對自流注水系統(tǒng)閥門空化噪聲和湍流噪聲進行治理。

2 三級節(jié)流降噪設(shè)計原理

通過將三級流量調(diào)節(jié)閥串聯(lián)可提高單級流量調(diào)節(jié)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(jié)流的低噪聲設(shè)計效果，本文建立結(jié)構(gòu)簡單的二維模型進行計算對比。根據(jù)多級節(jié)流設(shè)計原則[6]，各級節(jié)流壓降按照幾何級數(shù)遞減設(shè)計，因此，三級節(jié)流系統(tǒng)各級閥門開度逐級遞增。由于三級節(jié)流孔串聯(lián)的降噪原理與三級閥門串聯(lián)的降噪原理相同，模型中以直徑逐級增大的節(jié)流孔替代開度逐級增大的調(diào)節(jié)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(jiān)測流場壓力脈動，通過壓力脈動對比，對三級節(jié)流的降噪效果進行評價。

如圖2所示，模型-1為單級節(jié)流網(wǎng)格模型，出流和入流管段直徑為100 mm，節(jié)流孔徑為29.5 mm，孔長100 mm；模型-2為三級節(jié)流網(wǎng)格模型，出流和入流直徑為100 mm，第一級節(jié)流孔徑為35mm，第二級節(jié)流孔徑為37.5 mm，第三級節(jié)流孔徑為43 mm，三級節(jié)流孔孔長均為100 mm。模型-1和模型-2的幾何尺寸均由數(shù)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(shù)。進出口分別設(shè)置為壓力進口和速度出口，其中進口壓力設(shè)為1.8 MPa，出口速度設(shè)為4 m.s-1，沿流向取3個監(jiān)測點P1、P2、P3。

圖2 三級節(jié)流低噪聲設(shè)計驗證模型

圖3為運用二維計算流體動力學(xué)方法得到的模型-1和模型-2各監(jiān)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(shù)下，三級節(jié)流三個測點P1、P2、P3脈動壓力幅值均較單級節(jié)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(lián)的節(jié)流注水方案符合低噪聲設(shè)計要求。

圖3 模型-1和模型-2監(jiān)測點脈動壓力計算結(jié)果

3 三級節(jié)流注水系統(tǒng)數(shù)值分析

3.1 注水系統(tǒng)三級節(jié)流設(shè)計模型

基于三級節(jié)流低噪聲設(shè)計原理，完成了自流注水系統(tǒng)三級節(jié)流的結(jié)構(gòu)設(shè)計，注水系統(tǒng)由三臺球閥串聯(lián)共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)注水流量，如圖4所示。

圖4 注水系統(tǒng)三級節(jié)流結(jié)構(gòu)

注水系統(tǒng)進出口及閥門之間管道內(nèi)徑均為100 mm，流量調(diào)節(jié)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(tǒng)與單級注水系統(tǒng)具有相同的注水流量，三級節(jié)流系統(tǒng)各閥門總阻力系數(shù)應(yīng)與單級節(jié)流系統(tǒng)閥門阻力系數(shù)相同，因此，注水時增大三級節(jié)流系統(tǒng)各級閥門開度，并且逐級增大，可有效降低閥門內(nèi)的流體流速，避免各級流量調(diào)節(jié)閥后發(fā)生氣蝕。

3.2 三級節(jié)流管路流場特性分析

3.2.1 計算網(wǎng)格模型及參數(shù)設(shè)置

注水系統(tǒng)三級節(jié)流模型閥門附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管道結(jié)構(gòu)簡單，為兼顧計算效率和計算精度，采用混合網(wǎng)格劃分方案，閥門附近采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格且網(wǎng)格適當(dāng)細化，管道處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格且網(wǎng)格略微粗化。如圖5所示，計算區(qū)域從左至右分為入流、一級節(jié)流閥、中間管段-1、二級節(jié)流閥、中間管段-2、三級節(jié)流閥、出流七個部分，網(wǎng)格總數(shù)為424萬，其中入流包含77萬六面體網(wǎng)格，一級節(jié)流閥包含50萬四面體網(wǎng)格，中間管段-1包含78萬六面體網(wǎng)格，二級節(jié)流閥包含51萬四面體網(wǎng)格，中間管段-2包含28萬六面體網(wǎng)格，三級節(jié)流閥包含50萬四面體網(wǎng)格，出流包含90萬六面體網(wǎng)格。

圖5 整體網(wǎng)格模型

3.2.2 流場特性計算結(jié)果分析

三級節(jié)流注水系統(tǒng)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(jié)流閥至三級節(jié)流閥壓降依次變小。一級至三級節(jié)流閥后均出現(xiàn)局部壓力降低，但未降至飽和蒸汽壓力以下，三級節(jié)流系統(tǒng)未出現(xiàn)空化現(xiàn)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(zhì)的流速降低，平穩(wěn)降壓，抑制了低壓區(qū)域的形成，這也說明了三級節(jié)流抑制空化現(xiàn)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(tǒng)后續(xù)的進一步優(yōu)化設(shè)計應(yīng)集中在控制閥門附近流動不穩(wěn)定性上。

圖6 三級節(jié)流系統(tǒng)橫截面流動特性

三級節(jié)流注水系統(tǒng)速度矢量分布規(guī)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(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，而根據(jù)渦聲理論[7]，漩渦是流噪聲的主要來源[8-9]。一級和二級節(jié)流閥后均未出現(xiàn)單級節(jié)流時常出現(xiàn)的卷吸現(xiàn)象[10]，射流現(xiàn)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(jié)流使注水系統(tǒng)的湍流噪聲被有效抑制。

圖7 三級節(jié)流注水系統(tǒng)速度矢量分布規(guī)律

4 結(jié)論

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

(1) 三級節(jié)流設(shè)計使閥后低壓區(qū)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(chǎn)生；

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

(3) 三級節(jié)流注水系統(tǒng)的一級節(jié)流閥和二級節(jié)流閥的進口下緣和出口上緣均出現(xiàn)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)的主要噪聲源區(qū)域，后續(xù)優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)予以考慮。

[1] CERUTTI S, KNIO O M, KAtz J. Numerical study of cavitation inception in the near field of an axisymmetric jet at high Reynolds number[J]. Physics of Fluids, 2000, 12(10): 2444-2460.

[2] LIU L, ZHAO J. Multistage throttling characteristics of reverse direction impact of pilot operated check valve[J]. Journal of Vibroengineering, 2016, 18(3): 1874-1883.

[3] 戴根華, 王宏玉, 李沛滋. 低噪聲閥門設(shè)計原理及閥門噪聲控制[J]. 噪聲與振動控制, 1985, 5(5): 23-25, 29. DAI Genhua, WANG Hongyu, LI Peizi. Design principle of low noise valve and valve noise control[J]. Noise and Vibration Control, 1985, 5(5): 23-25, 29.

[4] LIU Y, YANG Y, LI Z. Research on the flow and cavitation characteristics of multistage throttle water-hydraulics[J]. ARCHIVE Proceeding of the Institution of Mechanical Engineering Part E Journal of Process Mechanical Engineering 1989-1996, 2006, 220(2): 99-108.

[5] 吳杰. 多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計[J]. 閥門, 2001, 10(1): 5-8. WU Jie. Design of multi stage high pressure difference control valve [J]. VALVE, 2001, 10(1): 5-8.

[6] 張寶峰. 多級節(jié)流孔板的設(shè)計計算[J]. 陜西電力, 2005, 33(5): 27-28. ZHANG Baofeng. Design and calculation of multistage orifice plate [J]. Northwest Electric Power Technology, 2005, 33(5): 27-30.

[7] POWELL A. Theory of vortex sound[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1964, 32(8): 982-990.

[8] 王春旭, 吳崇建, 陳樂佳, 等. 流致噪聲機理及預(yù)報方法研究綜述[J]. 中國艦船研究, 2016, 11(1): 57-71. WANG Chunxu, WU Chongjian, CHEN Lejia, et al. A comprehensive review on the mechanism of flow-induced noise and related prediction methods[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2016, 11(1): 57-71.

[9] 李環(huán), 劉聰尉, 吳方良, 等. 水動力噪聲計算方法綜述[J]. 中國艦船研究, 2016, 11(2): 72-89. LI Huan, LIU Congwei, WU Fangliang, et al. A review of the progress for computational methods of hydrodynamics noise [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2016, 11(2): 57-71.

[10]楊元龍,鄭文.船用大壓降給水管道多級孔板設(shè)計及節(jié)流特性研究[J]. 船海工程, 2015, 44(3): 164-167. YANG Yuanlong, ZHENG Wen. Design of the multistage orifice plate and throttle characteristics for marine feed pipe with large pressure drop [J]. Ship & Ocean Engineering, 2015, 44(3): 164-167.

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(xué)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(tǒng)。

馬士虎, E-mail: 1579416524@qq.com