流体瞬变对舰船管系激振分析

董仁义，吴崇健

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

舰船管系在设计布置过程中由于受到舰、艇体内部空间的限制，往往具有较为复杂的空间特性。具有复杂空间特性的液压、疏水、海水冷却等管系中流体流速较高、流量较大，在进行管路流体截止和开启过程中，由于其改变流体的方向或速度，在惯性作用下，会产生明显的瞬态振动，这种流体瞬变导致的管道发生的剧烈强迫振动，会造成管路与支撑结构表面产生微动磨损，使支撑刚度逐渐下降，从而降低管道的固有频率，造成管路频率与管系泵组的压力脉动频率接近或者重合，产生流固耦合振动，影响整个液压系统的性能和降低设备的使用寿命，甚至可能导致舰船液压系统功能失效;同时对于隐蔽性要求很高的潜艇，流体瞬变引起的管路振动冲击能量将通过管路支撑传递到耐压壳体上，加剧壳体振动产生的声辐射，使潜艇的隐蔽性遭受极大威胁。

因此，很有必要对具有复杂空间布置特性的舰船管路进行流体瞬变导致的管系振动分析，并且针对管系的振动特性，给出空间管系的隔振措施。本文建立一个典型的具有复杂空间走向特性的舰船管系，分析在关闭管系阀件后造成的流体瞬变对管系振动的影响，对管系的振动特性进行仿真。

1 管系流体瞬变

当阀门突然关闭，管道中流速骤然降至0，阀前微元流段内的水体首先受阻停止流动并导致水压升高，管壁膨胀，水体压缩。近临段处于上游侧的水体则继续流动，并有水流入由于膨胀和水体压缩而空出的这部分体积内。空间填满后，紧邻着第2 个微元流段内的水体又停止流动，水压升高并继续压缩，如此一层一层地向上游的水池方向传去，形成逆传的水锤升压波动。最后水体全部停止流动。这时从管系末端开始，降压波按相反的方向传播过来，直到抵达阀门处。如果忽略管道阻尼，这种升压、降压的过程将反复振动进行下去，如图1所示［2］。

图1 流体瞬变的压力脉动Fig.1 Pressure pulsation of transient flow

当管系阀门突然关闭时，系统管路内流体动能会急剧变化。对于管系阀门上游管路，靠近阀门的一层厚度为dl 的流体流速突变为0，从而受到后面流体的压缩，压力骤增dp，管路也因受压而膨胀，截面积增大。上游的流体逐步向下游流体过渡而转为流体停止、管路受压膨胀的状态，形成以速度a向上游传播的压缩波。

这种流体压力瞬变过程在工程上称为管系水锤现象。由于系统管路内存在一定的沿程损失和局部损失，因此，水锤波在压缩和膨胀过程中会逐步消耗能量。水锤波相长的计算公式为T=2L/a。可见，相同条件下，管路较长的系统，水锤波能量消耗较慢，水锤幅值较大。水锤最大压力升高可采用下式计算:

Δp=ρ·a·Δν。

式中:Δp 为管路最大压力变化值;ρ 为流体密度;a为流体内声速;Δν 为阀关闭后流体流速的变化值。另外，流体内声速由下式来计算:

式中:ρ 为流体密度;K 为体积模量;E 为管材的弹性模量;D 为管路直径;e 为管路壁厚。

2 管系仿真模型

2.1 管系描述

某段典型舰船空间管系的走向如图2所示，管路公称通径300 mm，壁厚为9.5 mm，最小屈服强度为206 N/mm2。A00 点和A19 点固定，流体假定为海水，密度为1 028 kg/m3，由A00 点流入，沿管路至A19 点，同时在图2 中标注出各管点的标号和管路的长度。在管系终点A19 处有一管路截止阀，A19 点截止阀突然关闭将产生沿管线传递的压力冲击波。

2.2 管系初步固定方式

图3 给出了管系初步固定方式。在管点A02和A03 处用弹性隔震器与舱壁固定，设定弹性系数为119 N/mm，在管点A06 处设置导向支架，与管路上下左右的间隙为0，在管点A11，A16，A18 处设置支架，与管路上下的间隙为0。

图2 典型的舰船空间管系Fig.2 Typical space pipeline

图3 舰船空间管系的初步固定方式Fig.3 Basal fixed style of the space pipeline

3 流体瞬变过程中管系振动特性仿真

文献［3］进行了舰船首尾移水系统水锤特性仿真与试验研究，通过对管路节点处流体压力的分析，对关阀时间长短与产生水锤的关系、水锤峰值产生的位置进行讨论。本文将从关闭阀时间以及管系的不同固定方式2 个方面，对流体瞬变过程中对管路振动特性的影响进行仿真。

3.1 阀门关闭时间对管路振动特性的影响

按照初始给定的管路固定方式，设定不同的阀门关闭时间，对管路的振动特性进行对比分析。阀门关闭时间分别按照0.1 s，0.4 s，0.7 s，1 s 进行设定。

前8 阶振动频率如表1所示。

表1 管路系统模态频率计算结果Tab.1 Modal frequency result of pipeline

不同阀门关闭时间对应的管路振动位移有很大不同，流体瞬变引起的管路位移如图4所示，表2给出了各个管点在X，Y，Z 方向的水平位移，绕坐标轴旋转的角度可以忽略。

图4 不同阀门关闭时间对应的管路振动位移Fig.4 Vibration displacement of pipeline under different time for closing valve

表2 管路振动位移Tab.2 Vibration displacement of pipeline

由表2 给出的数据可以得出，离关闭阀门越近的管路，其由阀门关闭引起的管路振动越强烈，并且管路整体振动位移随着阀门关闭时间的延长而变小。

3.2 管系固定方式对管路振动特性的影响

管系阀门关闭时所引起的流体瞬变会引起管路较大的位移变化，在阀门关闭时间t=0.1 s 工况，管系初步固定的方式下，增加管系的固定方式，对不同固定方式对管路振动特性的影响进行分析。图5 给出了在初步固定方式下增加管系固定后的管路固定方式。

图5 管系的固定方式Fig.5 Fixed style of pipeline

第1 种固定方式是在管系中管点A20，A21，A22 处增加了导向支架，与管路上下左右的间隙为0;第2 种固定方式是在管系中管点A20，A21，A22 处增加了导向支架，与管路上下的间隙为0。

3.2.1 第1 种固定方式下的管系动力学参数分析

图6 给出了第1 种固定方式下管路系统前6 阶模态变形图。

图6 第1 种固定方式下管路系统前6 阶模态变形图Fig.6 Modal deformation figure of pipeline under the first fixed sytle

前8 阶振动频率如表3所示。

表3 管路系统模态频率计算结果Tab.3 Modal frequency result of pipeline

3.2.2 第2 种固定方式下的管系动力学参数分析

图7 给出了第2 种固定方式下管路系统前6 阶模态变形图。

图7 第2 种固定方式下管路系统前6 阶模态变形图Fig.7 Modal deformation figure of pipeline under the second fixed style

图8 两种固定方式下的振动位移Fig.8 Vibration displacement under two fixed style

前8 阶振动频率如表4所示。

表4 管路系统模态频率计算结果Tab.4 Modal frequency result of pipeline

表5 管路振动位移Tab.5 Vibration displacement of pipeline

3.2.3 不同固定方式下的振动位移

对于不同的固定方式，选取阀门关闭时间为0.1 s 的工况，分别计算2 种固定方式下的振动位移，图8 给出了振动位移图，表5 给出了管系中的管点A00 ～A19 以及新增固定点A20，A21，A22 处的水平位移，表中未给出管点绕坐标轴的旋转位移，旋转位移可以忽略。

表5 中的振动位移具体数据显示，不同固定的方式中振动位移变化的趋势相同，对于固定自由度越多的管路约束，相比固定自由度小的管路约束，其振动位移越小，同价振动频率降低。这与实际情况相符，可以证明对于管路振动特性的仿真可以作为管路设计参考。

4 结 语

通过建立舰船管系的空间模型，设定管路的固定方式以及流体流动方向、流量，制定管路中阀门的关闭时间，讨论不同的阀门关闭时间所引起的流体瞬变导致的管路振动特性，给出了空间管路的动力学特性参数，并且详细对比了管路节点在不同阀门关闭时间条件下的位移，得出阀门关闭时间与管路管点的平面振动位移成反比，阀门关闭时间越短时，管路管点的振动位移越大，阀门关闭时间越长时，管路管点振动位移越小，并且越靠近阀门关闭点的管线振动位移越大，振动位移的峰值通常出现在离阀门较近的地方。

同时，在相同的阀门关闭时间工况下，管路在流体瞬变过程中，对不同固定方式，空间管路的振动位移变化趋势相同，管路振动位移与固定方式限制的管路自由度有关，这对于设计舰船管路空间管路过程中，考虑布置所采取的固定方式和固定位置有一定的指导意义。

［1］董仁义，吴崇健，张京伟，等．基于Modelica/MWorks 的舰船液压操舵系统建模与仿真研究［J］．舰船科学技术，2011，33(11):76－80．

DONG Ren-yi，WU Chong-jian，ZHANG Jing-wei，et al．Modeling and simulation for ship hydraulic rudder system based on Modelica/MWorks［J］．Ship Science and Technology，2011，33(11):76－80．

［2］谭平，徐蕾，凌晓聪．动力管道水锤激振分析［J］．南京理工大学学报，2006(30):2，182－185．

TAN Ping，XU Lei，LING Xiao-cong，et al．Vibration of waterhammer of power pipe system［J］．Journal of Nanjing University of Science and Technology，2006，30(2):182－185．

［3］蔡标华．舰船首尾移水系统水锤特性仿真与试验［J］．舰船科学技术，2011，33(9):52－55．

CAI Biao-hua．The water hammer characteristic simulation and test study in warship system pipeline［J］．Ship Science and Technology，2011，33(9):52－55．