船舶凝水调节管道新型节流孔板设计研究

杨元龙

（中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064）

引 言

船用凝水调节管道节流孔板是在一定压力条件下对管道中流体进行限流降压的特种设备［1］。由于节流孔板结构与凝水系统管路运行参数匹配性差，导致流体汽蚀而引起管道剧烈振动和噪声的事故在船舶行业频繁发生，而节流孔板汽蚀的诱发机理复杂，表征形式多元化［2－4］。同时，由于船舶凝水管系上配置大量直角弯头、三通等管件，孔板对流体节流降压，促使流体流速升高，对局部管件产生极大的冲击动量而诱发管件壁厚减薄［5］。因此船舶凝水调节系统管路上节流孔板设计的不合理必然会导致管路剧烈振动噪声并诱发局部管件失效，进而极大影响了船舶凝水系统管路的安全性和稳定性。

目前国内外学者针对节流孔板结构设计及节流特性做了大量研究［6－20］。大多学者依据 “防止孔板汽蚀，避免振动噪声”原则进行孔板结构设计，鲜有涉及考虑降低冲击管壁动量的研究报道。实际上，“防止孔板汽蚀”与 “降低冲击管壁动量”是交互耦合的设计体系。本文基于消声器减振降噪机理，提出斜孔对冲式节流孔板，引入伯努利方程和阻塞压差计算方法，进行节流孔板孔径、级数和厚度的校核计算，得到适用于凝水调节管道的斜孔式多级节流孔板结构，并利用CFD手段对所设计的单级和二级斜孔式孔板节流特性进行数值验证，分析了节流孔板局部压力场和流速场的变化特征和影响因素，最终提出具有 “防振降噪，减少管路冲刷”功能的新型斜孔式多级节流孔板。

1 多级斜孔式节流孔板设计

1.1 基本控制方程

为防止高压凝水系统节流孔板诱发汽蚀而产生管路高频振动和尖锐噪声，需配置多级节流孔板；基于消声器的原理，利用多个小节流孔代替大节流孔，将声波中驻波演变成行波，降低噪声峰值频率；由于节流孔板下游为直角弯头，为降低节流后的流体对管道及弯头的冲击强度，小节流孔采用斜孔对冲布置形式，使流体射流能量相互抵消，降低流体冲击动能。

1.2 设计方案

1.2.1 节流孔径计算 基于伯努利方程可知，孔板节流孔总面积计算式为

根据斜孔式节流孔板设计机理，为平衡斜孔对冲射流能量对称分布，使得能量径向分量相互中和抵消，各级孔板上节流孔沿轴线对称布置且孔径均相等。因此节流圆孔直径为

1.2.2 节流孔数量配置 为降低节流孔对冲射流能量，减小节流孔板轴向流体流速，沿轴向各级孔板上节流孔总面积逐渐增大，因此孔板上斜孔数量按照等差递增级数方式对称配置，即

1.2.3 孔板级数匹配 将节流孔板发生汽蚀时的流体临界压降为阻塞压差，阻塞压降的表达式为

临界压力比系数计算式为

满足阻塞压降的判定条件下，由流体质量守恒可知

各级孔板压差匹配关系式为

1.2.4 孔板厚度的校核 节流孔板厚度计算校核的计算式为

2 设计输出

凝水调节管系运行参数：管道内径为77mm，流量为60t·h－1，温度为30℃，密度为995.62 kg·m－3，凝水进口压力为3.3MPa，背压为0.15MPa。根据上述设计方案进行斜孔式节流孔板设计，其具体设计输出数据见表1。

表1 节流孔板设计计算Tab.1 Design and calculation for throttle orifice

3 数值验证

3.1 单级斜孔式孔板节流特性

图1 节流孔板结构Fig.1 Structure of throttle orifice

基于上述斜孔式节流孔板的结构设计，利用ICEM软件进行三维建模 （图1）及网格划分。如图2所示，采用非结构化网格方式进行处理，近壁区域添加边界层网格，为保证孔板湍流特性的计算精度，对节流孔板局部网格进行细化。基于网格敏感性分析，确定计算域共计25万个网格单元。

图2 网格模型Fig.2 Grid model

图3给出流速沿管路轴向长度方向的分布曲线。由图可知，在节流孔板上游流域，流动阻力小，流体速度较低且基本保持不变 （约为5m·s－1）。当流体流经孔板时，由于孔板上节流孔较小，促使流速急剧升高，最高流速达到55m·s－1，流速相应增大11倍，节流孔板下游流域，流速快速降至5m·s－1，并维持流速不变。

图3 孔板流速分布曲线Fig.3 Velocity curve of orifice plate

图4示出了斜孔式节流孔板前后流动规律。从图4可以看出，由于孔板上两个节流孔直径较小，导致流体穿过节流孔时产生射流现象，同时，两个节流孔相对管路中线对称布置，使得高速射流的流体形成径向对冲模式，使流体射流能量相互抵消，降低流体冲击动能。但在节流孔板下游形成局部涡流，极易诱发低频振动。

压力沿轴向长度方向的分布曲线如图5和图6所示。由图可知，流体压力呈先急剧上升又快速下降规律，究其原因主要是孔板下游流体流速下降，流体动压能转换为静压能，使得压力快速升高。从图中还可以发现，在节流孔板的局部流域形成了负压区域，该区域流体压力低于凝水温度为30℃对应的饱和压力4.25kPa，极易导致凝水汽化，进而诱发流体发生汽蚀现象，从而导致凝水管路节流孔板的剧烈振动。因此，理论计算设计数据也验证单级斜孔式孔板节流特性的数值模拟结果。

图4 孔板流速分布矢量图Fig.4 Velocity vectors of orifice plate

图5 孔板压力分布曲线Fig.5 Pressure curve of orifice plate

图6 孔板压力分布云图Fig.6 Pressure contours of orifice plate

3.2 两级斜孔式孔板节流特性

由于单级孔板节流易导致孔板局部流体汽蚀，因此根据多级斜孔式孔板的结构设计，对两级斜孔式孔板节流特性进行计算。

图7给出了两级斜孔式节流孔板前后流线变化规律。由图7可见，流体流过第1级孔板上两个节流孔后，由于第2级节流孔板的结构作用，扰乱流体的流场分布规律，使得流体水力结构重新匹配，流体以较低流速穿过第2级孔板上4个节流孔。

图7 两级孔板流动分布规律Fig.7 Flow distributions of two－stage orifice plate

两级斜孔式节流孔板前后区域流速矢量分布规律如图8所示。沿着凝水管路中流体的流动方向，流体以较高流速穿过第1级节流孔板，在两级孔板之间流域形成局部高强度对冲射流现象，降低流体射流冲击能量。由于第2级孔板提高节流孔数量，增大流体流通面积，导致流速下降，进而促使对流冲击能量降低，减少流体对管路的高强度冲刷。另外，第2级孔板下游并未产生大尺寸涡流，说明凝水系统管路不会产生低频湍流脉动。

图8 两级孔板流速矢量分布规律Fig.8 Velocity vectors of two－stage orifice plate

图9和图10示出了流速沿管路轴向长度方向的分布曲线和云图。由图可知，在两级节流孔板的连续导流作用下，在两个孔板间呈现出流体速度由小到大的周期性变化过程，且由于第2级孔板增大流通面积，导致流体的最高速度逐渐降低。

图11和图12给出了两级孔板压力变化规律。沿着凝水管路轴向长度的方向，由于节流孔板的阻力作用，导致压力逐渐降低。从图中还可以发现，节流孔板下游流域的流体压力呈先急剧升高再快速下降的变化趋势，主要是由于流体对冲射流增大动量损失，导致流体动能降低，转化为流体压力升高。从图中还可以看出，两级节流孔板下游区域均没有负压区产生，且孔板节流后的流体压力均高于饱和压力 （30℃凝水的饱和压力为4.25kPa），因此两级斜孔式节流孔板缓解管路汽蚀现象的发生，且降低流体对管路的冲刷强度，与理论设计结果吻合较好。

图9 两级孔板流速分布曲线Fig.9 Velocity curve of two－stage orifice plate

图10 两级孔板流速局部分布Fig.10 Velocity distributions of two－stage orifice plate

图11 两级孔板压力分布曲线Fig.11 Pressure curve of two－stage orifice plate

图12 两级孔板压力分布云图Fig.12 Pressure contours of two－stage orifice plate

4 结 论

本文基于消声器减振降噪机理，提出了具有“防止节流孔板汽蚀，降低流体冲刷管路强度”功效的新型斜孔对冲式节流孔板，引入伯努利方程和阻塞压差计算方法，进行节流孔板孔径、级数和厚度的校核计算，得到适用于凝水调节管道的两级斜孔式节流孔板，并利用CFD手段对理论设计的单级和二级斜孔式孔板节流特性进行数值分析，计算结果表明单级节流孔板下游局部流域诱发大尺度涡流和汽蚀现象，易导致凝水管路振动；二级节流孔板不仅可以规避孔板诱发汽蚀，还能实现流体对冲射流效应，促使冲击能量相互抵消，降低流体冲击动能。因此该计算方法可为船舶凝给水系统管道节流孔板结构设计提供一定理论基础。

符 号 说 明

A——孔板节流孔总面积，m2

Cq——管嘴流量系数

Dk——节流孔直径，m

di——管道内径，mm

Ff——临界压力比系数

Fl——压力恢复系数，取值为0.9

M——孔板上节流孔数量，个

n——孔板级数

Δp——孔板节流前后压差，MPa

pc——水的热力学临界压力，MPa

pin——进口压力，MPa

Δps——阻塞压差，MPa

pw——设计温度下饱和蒸气压力，MPa

Q——体积流量，m3·s－1

δ——节流孔板的厚度，mm

ρ——密度，kg.m－3

［σ］t——设计温度下管材的许用应力，MPa

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