几种典型船用风量调节阀的特性分析及研究

熊鹏俊，朱求源，尚 峰，周爱民，余 涛

(1. 海军驻武汉七一九所军事代表室，湖北 武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；3. 海军驻431厂代表室，辽宁 葫芦岛 125004)

几种典型船用风量调节阀的特性分析及研究

熊鹏俊1，朱求源2，尚 峰3，周爱民2，余 涛2

(1. 海军驻武汉七一九所军事代表室，湖北 武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；3. 海军驻431厂代表室，辽宁 葫芦岛 125004)

船用风量调节阀是空调系统空气管路不可或缺的一部分，本文通过数值模拟方法分析现有的3种典型的船用风量调节阀的流量特性和阻力特性，利用风量调节阀的试验台架进行其性能验证，并分析阀门的再生噪声特性。数值模拟、性能试验以及噪声特性的分析结果可以为船用空调系统设计选型风量调节阀提供一定的参考依据。

风量调节阀；数值模拟；实验；流量和阻力特性；低噪声

0 引 言

船用空调系统主要用于调节和控制船舶舱室内不同区域的环境空气温湿度。对于整个空调系统而言，其用户的需求和区域的热负荷各不相同，因此不同区域所需风量也不尽相同。系统设计时，如果单纯的通过送风管路管径的变化去实现系统末端的风量分配，会存在较大的难度，并且工况变化时，系统风量很难实现与实际热负荷相匹配。因此在实际工程中，空调系统可通过调节安装在送风管路上的风量调节阀对系统的分支管路的风量进行手动调节分配，从而使得各个末端的风量达到系统风量分配的平衡调节要求。除此之外，在空调系统设计过程中，设计人员往往更多的关注冷水机组，水泵和风机等设备产生的噪声，对风量调节阀产生的再生气流噪声却重视不够[1]，而减振降噪已成为船用空调系统的主要关注点之一[2–3]，国内对于风量调节阀的噪声相关研究很少，搭建的风量调节阀试验台架也主要是用于研究风阀的流量和阻力特性[4]，对于风阀的再生噪声研究基本出去空白阶段，因此开展风量调节阀的噪声研究很有必要。

在船用空调系统中，单叶阀门、对开多叶阀门和平行多叶阀门这3种阀门应用较为广泛。因此本文主要选用这3种阀门作为研究分析对象。

本文主要采用了数值模拟计算与实物台架实验相结合方法分析和研究3种典型的船用风量调节阀。首先建立了单叶阀门、对开多叶阀门和平行多叶阀门3种典型的船用风量调节阀的数值模拟模型，通过计算流体力学软件[4–5]对3种不同的阀门进行流场特性、阻力特性的分析及研究；利用风量调节阀的试验台架进行其性能验证，并分析阀门的再生噪声特性。数值模拟、性能试验以及噪声特性的分析结果可为船用空调系统设计选型风量调节阀提供一定的参考依据。

1 数值模拟分析

风量调节阀，其工作原理在于利用流通面积的变化实现支路阻力的调节，使系统达到水力平衡状态，维持各个末端的送风量达到设计要求。风量调节阀主要由阀体、阀板（叶片）、调节手柄、驱动机构、填料函等部件组成，根据阀的叶片类型，可分为单叶阀门、对开多叶阀门和平行多叶阀门等多种型式。

1.1 物理模型

在建立3种典型的船用风量调节阀时，把调节阀简化成为一个内含导流叶片风通道，风量调节阀的其他部件如驱动机构，调节手柄等简化处理。对3种典型的船用风量调节阀的简化物理模型如图1所示。

遵循单一变量原则，3种风量调节阀的截面都为280 mm×190 mm（宽×高），其中单叶阀门的阀片规格为280 mm×190 mm（宽×高）；对开多叶阀门的阀片规格为46.66 mm×190 mm（宽×高），共6片；平行多叶阀门的阀片规格为46.66 mm×280 mm（宽×高），共6片。

1.2 数值建模及边界条件

采用CFD软件建立阀门及连接的管道的三维物理模型，对其物理边界简化后，进行了数值模拟计算，其中风量调节阀的进口设置为速度进口，出口为充分发展条件，阀片及壁面设置为无滑移。计算模型采用湍流模型，非结构化SIMPLE算法，介质为常温常压下的不可压缩空气。

为了便于分析阀的特性，将3种阀的出口均与等截面的方形管道进行连接，并保证入口的管路长度不小于5倍的阀特征尺寸，出口的长度不小于10倍的阀特征尺寸，数值模拟模型如图2所示。在进行网格划分时，针对阀体前后通径1倍的局部区域进行了局部网格加密，该区域加密是对区域3个方向的网格同时加密。

1.3 数值模拟结果分析

在进行风量调节阀的数值模拟分析时，进行了多工况的模拟，分析了单叶、平行多叶、对开多叶3种阀门在不同的开度条件下和不同的进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种阀门在进口风速为10 m/s，阀门开度为60°情况下的数值模拟计算结果作为分析对象进行分析和研究，并对典型截面的速度场和压力场进行了分析。考虑的典型截面为：沿气流方向阀体中心的平行截面。

图3～图4分别为单叶、平行多叶、对开多叶风量调节阀在 60° 开度下的典型截面的流场速度云图。由图可知，当阀门开度为 60° 时，单叶调节阀的出口流场复杂，单叶风量调节阀流场中最高流速约为32 m/s并出现偏流现象，平行多叶和对开多叶风量调节阀流场中最高流速都约为23 m/s左右，均小于单叶风量调节阀。

图3～图5同时表明，距离阀口越远，速度分布越均匀。在距离阀口1倍直径处，对开多叶风量调节阀的速度最为均匀。平行多叶风量调节阀次之。对开多叶风量调节阀阀后只需约1倍直径的距离，流场就已充分发展分布均匀，而单叶阀需要的距离则远很多。

同时根据磨损机理可知，流场的不均匀性和偏流，更容易导致阀片的磨损[6]。

图6～图8分别为单叶、平行多叶、对开多叶风量调节阀在60°开度下的典型截面的静压云图。该图表明平行多叶风量调节阀的局部阻力最小，阻力损失最小，阻力系数最小。表1为3种风量调节阀在不同开度下的调节阀阻力损失。该表同样表明平行多叶风量调节阀的局部阻力最小，阀门开度越小，差异越大，在小开度时，传统单叶阀阻力极大。一般而言，风量调节阀的阻力系数越大，其再生噪声越大。

表 1 风量调节阀额定流量进出口静压损失分析（Pa）

2 试验台架搭建

为了对数值模拟结果进行一个论证，同时为了测量风量调节阀的再生噪声，本文搭建了风量调节阀的试验台架，试验装置原理如图9所示。

试验台架的通风系统动力通过变频风机提供，送风系统管路上布置了旁通管路，以保证通过试验风阀的风量满足实验要求，可通过风量测量点和调节旁通支路确定实验阀体的来流速度和通过阀体的风量。同时在阀的前后端分别布置了U型微压计测量系统和噪声测量系统，通过U型微压计可测量出阀体前后的静压值。在进行噪声测量时，为了杜绝风机噪声和其他噪声源的干扰，在测量阀出口的噪声时，将其测量点布置在一个密小室内。入口噪声测量点布置在阀体前的管道内。

3 试验结果分析

为了保证试验结果与计算结果比较的可比性，选取了与数值模拟模型完全一致的风阀进行试验。CFD可以准确的分析风阀的流量特性和阻力特性，并且与试验结果一致[4]。

本文在进行风量调节阀的试验研究时，同样进行了多工况的模拟，分析了单叶、平行多叶、对开多叶3种阀门在不同的开度条件下和不同的进口流速下的流量特性、阻力特性和再生噪声特性。风阀的流量特性和阻力特性前期已经通过CFD进行了模拟分析，本文的试验结果与CFD计算结果也是基本一致，除此之外本文还主要进行了阀门再生噪声的试验研究。

通过噪声测量系统，可以测量出单叶、平行多叶、对开多叶风量调节阀在不同开度和不同流量下的再生噪声数值。在此选取了3种阀门在60°开度不同流量下的噪声曲线为分析对象。图10为3种阀门在60°开度不同流量下的再生噪声曲线，通过该图可以发现，当通过阀的风量较小时3种风量调节阀的再生噪声数值相差不大，但是随着风量的增加，风阀的再生声也随之增加，其中单叶风量调节阀的再生噪声增加较为迅速，最大噪声值可达到15 dBa，不利于整个船舶空调系统的减振降噪。

图11为多叶对开风量调节阀在不同开度不同流量下的再生噪声曲线，该图表明当流量较小时，阀在不同开度下的再生噪声数值基本一致，但是当流量较大时，阀的再生噪声也就随之会增加。同时阀的开度对阀的再生噪声值也有影响，开度越大，再生噪声越小，部分情况下还会出现消声（即再生噪声数值为负值）的现象。而当阀的开度较小为30°流量较大时，再生噪声可以达到20 dB（A）。

通过分析3种风量调节阀的再生噪声曲线可知，单叶风量调节阀的再生噪声数值较高，为了保证船用空调系统的空气噪声控制目标，不建议在船上使用单叶风量调节阀进行空调风量的调节（作为工况切换阀，设计选型可不受限制）；同时在选用阀件调节系统风量时尽量保证阀的开度，这样也阀体的再生噪声数值也较小。

4 结 语

本文建立了3种典型船用空调系统风量调节阀（单叶，平行多叶和对开多叶风量调节阀）的数值模拟模型，并进行了数值模拟计算，结果表明平行多叶风量调节阀和对开多叶风量调节阀的的阻力特性和流量特性都比较好，单叶风量调节阀的特性最差。进一步通过搭建试验台，分析了3种阀门的再生噪声，结果表明阀的开度和流量都对再生噪声有影响，风阀的再生声也随开度的减小和风量的增大而增加。其中在相同开度下，单叶风量调节阀的再生噪声数值最高。因此通过分析3种风量调节阀的流量特性，阻力特性和再生噪声特性，可为船用空调系统设计选型风量调节阀提供一定的参考依据，建议在系统管路上设计选型风量调节阀时，系统管路安装空间允许的情况下尽量选用多叶阀。

[1]王俊, 陈剑波, 王银华, 等. 变风量末端噪声测量实验及分析[J]. 建筑科学, 2009, 25(12): 44–47.

[2]张硕, 冷文军, 赵俊涛, 等. 基于频谱分析的斜流风机振动控制改进研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(5): 5–8.

[3]由成良. 辅助船空调、通风系统的噪声分析与控制[J]. 船舶, 2012(6): 48–53.

[4]沈新荣, 朱文斌, 黎焱, 等. 恒流量风阀的数值分析与试验研究[J]. 流体机械, 2007, 35(2): 5–8.

[5]陈旺生, 向晓东, 陆继东, 等. 耐磨风量调节阀气相流场的数值模拟[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2006, 34(10): 86–88.

[6]姚群, 李育杰. 除尘管道磨损与防磨措施[J]. 建筑热能通风空调, 2000(1): 47–48, 51.

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

熊鹏俊(1987 – )，男，高级工程师，主要从事武备电子专业研究。