曾志松，李開福，李 威，金 翔

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢430074;2.武昌船舶重工有限責(zé)任公司，武漢430060)

流體管路在各類工業(yè)裝置和日常生活中得以廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)特定的功能，流體管路用來傳遞質(zhì)量流、動(dòng)量流、能量流，管路中也因此不可避免地存在流體的壓力脈動(dòng)。而管路中的壓力脈動(dòng)會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲，影響管路的聲學(xué)性能，甚至引起結(jié)構(gòu)的破壞［1-2］。本文通過試驗(yàn)的方法，研究了不同支管布置方式對(duì)管內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響。

試驗(yàn)中通過更換可替換測(cè)試段、調(diào)節(jié)流量閥，利用壓力傳感器采集不同流速、不同支管連接角度及布置位置時(shí)，管路中的流體壓力脈動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行FFT變換并求總級(jí)，獲得不同工況下各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)級(jí)，進(jìn)行對(duì)比分析，探尋管內(nèi)壓力脈動(dòng)隨支管連接角度及支管布置位置的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)管路及測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)搭建了如圖1所示的試驗(yàn)管路系統(tǒng)，系統(tǒng)由水池、水泵、密封水箱、流量調(diào)節(jié)閥、管路測(cè)試段及輔助連接管路組成，并形成一個(gè)循環(huán)的管路系統(tǒng)。其中測(cè)試段由可替換直管和帶支管直管組成，A、B、C三個(gè)測(cè)試斷面分別位于可替換直管上斷面、帶支管段主管下斷面、以及支管上中間位置斷面。測(cè)試系統(tǒng)由9個(gè)壓力傳感器、1個(gè)石英壓力傳感器、2臺(tái)動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器、2套八通道信號(hào)采集系統(tǒng)、3套4聯(lián)裝電橋、1臺(tái)超聲波流量計(jì)及計(jì)算機(jī)組成。

圖1 管路系統(tǒng)模型示意

試驗(yàn)測(cè)試無法得到管路上被測(cè)斷面的壓力脈動(dòng)分布，故在實(shí)際試驗(yàn)中選取斷面上平均分布的幾個(gè)點(diǎn)測(cè)試壓力脈動(dòng)，取其平均值作為此斷面的湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。

在測(cè)試斷面A、B兩處分別取測(cè)點(diǎn)3個(gè)，均勻分布在斷面上。在測(cè)試斷面C處，當(dāng)支管內(nèi)徑為36 mm時(shí)，僅布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)支管內(nèi)徑為67 mm時(shí)，測(cè)點(diǎn)為3個(gè)，均勻分布在斷面上。實(shí)際壓力脈動(dòng)測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 壓力脈動(dòng)測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置示意

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及流程

本試驗(yàn)所考查的支管布置方式主要包括兩個(gè)方面:一是支管與主管不同連接角度，二是支管不同布置位置，即主管與支管連接處所在斷面到管路彎頭末斷面的距離。研究支管與主管不同連接角度對(duì)管路聲學(xué)性能影響時(shí)，針對(duì)一定支管位置。取7個(gè)不同連接角度(15°、30°、38°、45°、60°、75°、90°)的可替換支管段，對(duì)比試驗(yàn)以尋找最佳的支管連接角度;研究支管不同布置位置對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)影響的管路聲學(xué)性能影響時(shí)，以主管的外徑D為參考，在90°的連接角度下，取4種不同的支管位置，L=1D、3D、5D、9D來確定最佳布置位置。

根據(jù)實(shí)際工程背景需要，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取的主管內(nèi)徑為67 mm，支管內(nèi)徑為67 mm、36 mm。測(cè)試流速則依據(jù)相似性原理，確定為3.56 m/s、4.33 m/s、5.0 m/s(4.8 m/s細(xì)支管)，由于管路的沿程損失較大，5.0 m/s(4.8 m/s細(xì)支管)左右是管內(nèi)流速能夠達(dá)到的最大值。

搭建好試驗(yàn)臺(tái)架后，通過更換帶支管主管段來得到不同的連接角度，更換可替換直管段來改變安裝位置，確定某一布置方式后，調(diào)節(jié)流量閥，用流量計(jì)測(cè)定管內(nèi)流速，分別使其達(dá)到3.56、4.33、5.00 m/s(4.80 m/s細(xì)支管)，并測(cè)試不同流速下管路斷面各測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)。采樣頻率取25.6 kHz，采樣時(shí)間大于120 s，為保證數(shù)據(jù)的有效性，對(duì)每一種工況采集數(shù)據(jù)，均重復(fù)三次。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各壓力傳感器采集到的時(shí)域信號(hào)，利用Matlab編寫程序進(jìn)行FFT變換，在頻域內(nèi)分別求總級(jí)，得到相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)級(jí)。其中計(jì)算頻帶為10 Hz～10 kHz，基準(zhǔn)值為p0=1×10-6Pa。

根據(jù)上述處理方案，分別求取各斷面的壓力脈動(dòng)級(jí)均值［3］。

(當(dāng)支管內(nèi)徑為36 mm時(shí)，則只到L7)。

式中:LA、LB、LC——測(cè)試斷面A、B、C處的壓力脈動(dòng)均值;

Li——各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)級(jí)。

限于篇幅，本文沒有具體給出每種工況下各測(cè)試斷面壓力脈動(dòng)級(jí)，而是直接給出本文所要研究的壓力脈動(dòng)隨支管連接角度及布置位置變化的對(duì)比圖，分別分析支管內(nèi)徑為67 mm和36 mm時(shí)，同一流速下不同測(cè)試斷面壓力脈動(dòng)隨連接角度、連接位置的變化規(guī)律。

2.1 同一流速下，不同測(cè)試斷面壓力脈動(dòng)隨連接角度變化情況

支管內(nèi)徑為67 mm，流速分別為3.56、4.33、5.00 m/s時(shí)，不同測(cè)試斷面處壓力脈動(dòng)隨連接角度變化見圖3。

圖3 壓力脈動(dòng)隨連接角度變化情況一

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于支管測(cè)試段，入口端(測(cè)試斷面A)的壓力脈動(dòng)隨連接角度的變化很小，為1～2 dB。相對(duì)而言，在連接角度為30°～45°時(shí)，壓力脈動(dòng)最低;在主管出口端(測(cè)試斷面B)的壓力脈動(dòng)基本在38°～75°最低;在支管出口端(測(cè)試斷面C)的壓力脈動(dòng)基本隨著連接角度的增加而降低。這可能是因?yàn)殡S著角度的增加，支管的流速明顯降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓力脈動(dòng)變小。

綜上可知，當(dāng)支管內(nèi)徑和主管內(nèi)徑一致(均為67 mm)，支管連接角度為38°左右時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低。

支管內(nèi)徑為36 mm，流速分別為3.56、4.33、4.80 m/s時(shí)，不同測(cè)試斷面處壓力脈動(dòng)隨連接角度變化的見圖4。

圖4 壓力脈動(dòng)隨連接角度變化情況二

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于支管測(cè)試段，入口端(測(cè)試斷面A)的壓力脈動(dòng)除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，隨連接角度的變化很小，為1～2 dB;在主管出口端(測(cè)試斷面B)的壓力脈動(dòng)基本在30°～38°最低;在支管出口端(測(cè)試斷面C)的壓力脈動(dòng)基本隨著連接角度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)?，隨著角度的增加，支管的流速明顯降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓力脈動(dòng)變小。

綜上可知，當(dāng)支管內(nèi)徑(36 mm)小于主管內(nèi)徑(67 mm)，支管連接角度為30°～38°時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低。

2.2 同一流速下，不同測(cè)試斷面壓力脈動(dòng)隨連接位置變化情況

支管內(nèi)徑為67 mm，流速分別為3.56、4.33、5.00 m/s時(shí)，不同測(cè)試斷面的壓力脈動(dòng)隨連接位置變化見圖5。

圖5 壓力脈動(dòng)隨支管位置變化情況一

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于支管測(cè)試段，入口端(測(cè)試斷面A)的壓力脈動(dòng)隨連接位置的增加而緩慢降低，變化范圍約1 dB;不論是在主管出口端(測(cè)試斷面B)，還是在支管出口端(測(cè)試斷面C)，壓力脈動(dòng)在連接位置(L/D)大于3～5時(shí)是較低。

綜上可知，當(dāng)支管內(nèi)徑和主管內(nèi)徑一致，支管連接位置(L/D)大于3～5時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低。

支管內(nèi)徑為36 mm，流速分別為3.56、4.33、4.80 m/s時(shí)，不同測(cè)試斷面處壓力脈動(dòng)隨連接位置變化見圖6。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3個(gè)測(cè)試斷面的變化規(guī)律基本一致:當(dāng)支管連接位置(L/D)大于5時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低。

圖6 壓力脈動(dòng)隨支管位置變化情況二

3 結(jié)論

1)當(dāng)支管內(nèi)徑和主管內(nèi)徑一致，支管連接角度為38°左右時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低;

2)當(dāng)支管內(nèi)徑小于主管內(nèi)徑，支管連接角度為30°～38°時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低;

3)當(dāng)支管內(nèi)徑和主管內(nèi)徑一致，支管連接位置(L/D)大于3～5時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低;

4)當(dāng)支管內(nèi)徑小于主管內(nèi)徑，支管連接位置(L/D)大于5時(shí)，管內(nèi)總體的壓力脈動(dòng)較低。

本試驗(yàn)研究的結(jié)論對(duì)從聲學(xué)性能上考慮支管的優(yōu)化布置具有參考價(jià)值。由于試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)僅針對(duì)特定輸液管路在指定流速下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，沒有考慮負(fù)載對(duì)主管和支管內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響，這是后續(xù)工作努力的方向。

［1］何成連，王正偉，邱 華.水輪機(jī)尾水管內(nèi)部壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(11):62-65.

［2］聶修軍.船舶輸水管系統(tǒng)振動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2010，10(10):117-119.

［3］黃其柏.工程噪聲控制學(xué)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，1999.