0 引  言

一般来说大型船舶的机舱等舱室内部空间有限，使得系统管路没有足够的空间布置，系统管路走向会直接影响设备的进流状况，进而会导致设备的振动加剧^[1-2]，长期如此会缩短设备的使用寿命。限于舱室的空间大小，通过增加水泵进口直管段的长度，以及增大水泵进口弯头半径来优化进流状态是不现实的。

针对水泵进口流场恶化导致的振动加剧问题，通常有优化进口流道和添加流场均匀设备等办法。有很多文献对泵站的进口流道造型曲线^[3]开展了研究，合理的型线设计可以提高水泵进口流场的均匀度，防止水泵发生气蚀。有部分研究在弯头内部转弯半径方向添加导流叶片^[4]，用于引导流体通过弯头时的流场，减弱漩涡区域范围和强度，抑制脱落涡的生成。

对于流场均匀性的评价，相关的研究主要集中在水洞和风洞设计上，对于流场品质的考察主要体现在流速不均匀度、流场平均速度角、压力不均匀度等方面^[3-5]。陆林广^[6-9]在研究水泵进口流道造型时，提出了进口流道优化设计的目标函数，主要包括流速分布均匀度和水流入泵平均角度。我国航空领域对于对风洞的品质有更为严格的要求，GJB 1179A-2012《低速风洞和高速风洞流场品质要求》^[10]中明确规定了高低速风洞的湍流度^[11]、轴向静压梯度、动压稳定性等性能参数值范围。

本文选取水泵进口段弯头流场作为研究对象，设计了3种流场均匀装置安装于水泵进口管段，分别对其开展数值仿真计算和试验研究，获取不同流场均匀装置的流阻系统、速度场、方向场的分布，并对安装不同流场均匀装置后水泵的振动及噪声进行分析。

1 流场均匀装置模型

本文的主要研究对象为安装在水泵进口位置管道内的流场均匀装置，其工作介质为水，主要用于改善泵入口流场，进而降低泵的振动及辐射噪声。流场均匀装置的初始设计方案分别对应矩形格栅、导流锥体、同心圆3种方案，长度分别为0.5、1倍的管道通径d。

2 数值仿真计算 2.1 数值计算模型

为了真实模拟水流通过水泵前弯头的流场紊乱状况，按照实际水泵管路布置进行建模，计算管道模型三维布置如图 2所示。本文重点关注水泵进口流场的均匀效果，只针对进口管路装置进行数值模拟，不考虑阀门开启状态。其中泵进口弯头半径为1D，进口远端弯头半径为2D，在均匀装置出口位置段上即水泵进口位置处设置监控点M、出口评价平面S₂和进口评价平面S₁，平面S₁和S₂离进出口距离均为0.5 m。

为了降低不同的网格结构尺度对数值计算结果的影响，对管道模型不同段进行分区处理，将数值计算模型划分如图 2所示，其中A、C部分为圆管段，采用结构化网格；B区为流场均匀化装置段，考虑到均匀化装置格栅的微小结构，采用非结构化网格进行计算，在其壁面添加附面层进行加密。在进行不同均匀化装置及不同阀门开度模型计算时，只需更换B区网格，所有模型数值计算时采用相同的拓扑结构和网格，网格量统计如表 1所示。

采用Fluent商用软件作为数值计算求解器，利用interface作为不同块之间的交界面进行数据传递和处理。进口边界条件给定为流量，进口速度方向给定为normal to boundary，软件根据实际计算情况自动调节进口速度方向；出口给定大气压。采用标准k-ε两方程湍流模型和SIMPLE算法，近壁面处理采用标准的壁面函数，其他给定为壁面边界条件。压力采用二阶离散，动量方程、k方程、ε方程均采用二阶迎风格式进行离散，保证计算精度。详细的数值模拟工况如表 2所示，对应水泵不同的转速工况，共6 × 7=42组计算文件。

在数值计算中分别对出口平面的面积加权平均速度进行了监控，同时对出口段内点M的压力和速度进行了监控。以直管，流量为250 t/h为基础算例，它的Fluent数值计算残差收敛曲线以及M点压力速度监控曲线如图 3所示。通过残差收敛曲线以及监控点的压力速度曲线可以得到，在数值计算进行到1 500步以后各分量残差以及监控点的压力速度均保持不变，监控点的表压保持在89.5 Pa，速度保持在2.17 m/s，视为数值计算结果收敛，其它算例保持相同的设置，收敛情况相同。

2.2 流场均匀装置水力特性

将流场均匀化装置安装在管道中，会增加流道的阻力。评价均匀化装置的水力性能用阻力系数λ来表示，其定义如下式：

${\rm{ }}\lambda {\rm{ }} = \frac{{2\Delta {p_j}}}{{{\rm{ }}\rho {\rm{ }}{{\bar U}^2}}}，$

(1)

$\Delta {p_j} = \Delta {p_t} - \Delta {p_g}$

(2)

式中：ΔP_t，ΔP_g，ΔP_i分别为计算模型总压差、管路总压差，及均匀流装置总压差；0.5 pU²为通道截面平均动压。在模型计算阻力系数时选取S₁、S₂截面做对比参考，并减去相同流量下直管的管道阻力损失，即为流场均匀装置的流阻，参考式（2）。

图 4给出了不同流场均匀装置阻力系数与流量的关系图。可以看出，随着流量的增加（流速的增大），均匀装置的阻力系数逐渐降低。同心圆0.5D的阻力系数在所有工况下最小，网格1D最大。计算流场均匀装置各工况下平均阻力系数，同心圆0.5D的阻力系数约为网格1D阻力系数的13%。流场均匀装置流阻系数由大到小排序为：网格1D > 网格0.5D > 导流体1D > 同心圆1D > 导流体0.5D > 同心圆0.5D。流场均匀装置网格0.5D和网格1D的阻力系数至少为其它流场均匀装置的3.4倍。

2.3 流场不均匀性分析

参考水洞、风洞等文献及标准对流场品质的要求，本文主要选取速度场、压力场进行流场均匀性分析，分别对应轴向速度不均匀度、平均轴向速度角、压力不均匀度。

1）轴向速度不均匀度

定义轴向速度不均匀系数

${\rm{ }}\xi {{\rm{ }}_u} = \frac{1}{{\rm{Q}}}\int {\sqrt {{{\left( {u - \bar U} \right)}^2}} {\rm{d}}A} 。$

(3)

式中：Q为截面流量；u为截面上各网格单元dA上的轴向速度；$\bar U$为截面的平均速度，ξ_u为截面的速度不均匀系数。

图 5给出了S₁和S₂截面的轴向速度不均匀系数与流量关系，通过对比分析可知：1）所有的流场均匀装置几乎具有相同的进口轴向速度分布；2）出口截面S₂流场不均匀系数排序分别为导流体1D > 导流体0.5D > 同心圆1D > 同心圆0.5D > 网格0.5D > 网格1D > 直管。

图 6选出部分流场均匀装置进出口速度分布云图，对应泵的流量为250 t/h。选取截面分别位于距离流场均匀装置进口0.5D，距离均匀装置出口0.5D，1D，1.5D，2D，2.5D。在没有布置流场均匀装置的情况下，靠近弯头内壁出的速度较小，靠近弯头外侧的速度较大，形成了流场高低速分布的差异性，经过3倍通径长度的直管段整流，截面的流速分布均匀性仍然较差。

在添加了流场均匀装置以后，对于流场均匀装置进口速度分布几乎没有影响，主要的差异体现在经过流场均匀装置以后速度场的分布。

对于网格式的流场均匀装置，其将流道划分为多个蜂窝型的狭长流道，最大程度上破坏了原有涡系结构，经过狭长流道的整流作用，在到达流道出口位置时内部整流已经初步达到均匀。在出口位置由于流道截面积的增加，不同细小流道之间的流场二次混合，且出口流速较高；后经过直管段的整流作用，不同网格流道间的差异性逐渐减小。

导流体1D分别从周向和径向将流道划分为几个区间，流体在进入均匀装置以后，轴向上流道由窄逐渐变宽，在流出均匀装置的过程中流动损失要小于网格1D，出口流场经过直管段的整流后，原有速度场在径向上的分布要优于网格1D。

流场均匀装置同心圆1D在径向上划分为2部分，均匀装置的中心部分为圆柱，流体通过同心圆1D以后在径向上明显被划分为3部分，且3部分通过3倍通径长度的直管段整流后分层现象仍然明显，尤其是对于低流速分布的整流效果较差。

2）轴向速度角分析

对截面轴向速度角以及截面平均速度角定义如下：

$\theta = \arctan (Uw/(Ur + Ut))，$

(4)

$bar\theta = \sum\limits_{i = 1}^n {{\theta _i}{A_i}} /\sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}}。 $

(5)

式中：A_i为截面单元微元面积；θ_i为截面上各网格单元dA上的轴向速度，$\bar \theta $为截面的平均速度角。

图 8给出了轴向速度角与流量的关系图。对比不同状态下均匀装置的轴向速度角分布可以得出：

1）安装不同的流场均匀装置后，进口S₁平面的轴向速度角几乎保持不变，且随着流速的增加，平均速度角微弱增加；

2）随着流量/流速的增加，流场均匀装置后的S₂截面平均轴向速度角微降；对比直管段，流场均匀装置都能够明显的改善流体轴向速度角，各流场均匀装置间差距较小，最大相差只有0.8°，水流经流场均匀装置整流以后至少提高了2.5°，流场均匀能够显著提高平均速度角；

3）轴向速度角总体变化规律为：网格0.5D > 同心圆1D > 网格1D > 导流体1D > 同心圆0.5D > 导流体0.5D > 直管。

3）压力场不均匀度分析

定义截面压力不均匀系数为：

${\rm{ }}\xi {{\rm{ }}_p} = \frac{1}{{\bar PS}}\int {\sqrt {{{\left( {p - \bar P} \right)}^2}} {\rm{d}}A} 。$

(6)

式中：S为截面面积；p为截面上各网格单元dA上的平均压力； $\bar p$为截面的平均压力。

图 9给出了流量与S₁及S₂截面压力不均匀系数与流量的关系。通过对比可知：

1）对于所有的流量工况，S₁截面的压力不均匀度都小于1‰，不同流场均匀装置的进口状态相同，差异极小；

2）随着流量的增加（流速增加），S₂截面的流场不均匀系数逐渐加大；

3）当不添加流场均匀装置时，其直管段S₂截面的流场不均匀系数最大，所有的流场均匀装置都能够有效提高压力均匀分布；

4）对比不同均匀装置S₂的，流场均匀装置的压力均匀效果排序为：网格0.5D > 网格1D > 同心圆1D > 同心圆0.5D > 导流体1D > 导流体0.5D > 直管。

3 试验测试及结果分析

本文选取大型船舶的水泵附近管路作为研究对象，搭建试验台架，通过变化进口阀门开度获得不同均匀性的进口流场，用于测试流场均匀装置在不同进流条件下的均匀效果，选取水泵出口端叶频线谱值作为最终评价参数。

3.1试验台架组成

流场均匀装置的试验台架如图 10所示，主要由水泵、截止止回阀、进口阀、测试段、流场均匀装置、进口弯头组成；其中流场均匀装置安装于水泵进口位置，测试管段位于水泵出口下游，通过调整进口阀开度实现对进流条件的控制。测试针对不同流场均匀装置，分别对应水泵转速1（高转速）、转速2（低转速）两个转速状态，对应进口阀90，60，30°三个开度状态。

3.2 试验测点和工况

试验为流场均匀装置测试，每次测试时分别测试3个进口阀门开度。固定泵进口弯头为1D弯头，保持其他管路安装状态不变，更换流场均匀装置进行测试。测试工况如表 3所示。

3.3 测试结果分析

图 11给出了泵在转速1时，测试段对应的不同流场均匀装置流噪声测试结果。由图可知：

1）在进口阀门开度为90°状态下，此时泵的进流状态较好，直管对应的叶频线谱均小于其它流场均匀装置。导流体0.5D和同心圆0.5D叶频线谱值最大，比直管高约2.1 dB；导流体1D对比于直管，增加值约为1.2 dB，同心圆1D增加为1.5 dB；

2）当进口阀门开度为60°时，此时泵的进流状态相比于阀门开度为90°出现了一定恶化，测试得到的直管对应叶频线谱值最高，所有的流场均匀装置对降低叶频线谱都开始体现出一定的效果；其中导流体1D的叶频线谱最小效果最佳，比直管段减低了1.9 dB；网格1D降低了1.3 dB；

3）当进口阀开度为30°时，此时泵的进流状态急剧恶化，所有流场均匀装置都有较好的降噪效果，至少有5 dB的降噪效果，其中同心圆1D的降低效果最明显，达到了7.6 dB。

图 12给出了泵在转速2时，测试段对应的不同流场均匀装置流噪声测试结果。由图可知：

1）当进口阀开度为90°时，此时泵的进流状态较好，导流体1D降低泵叶频线谱值最佳，达到了3 dB；同心圆0.5D也有0.8 dB的叶频降低效果；其他的流场均匀装置的叶频线谱值均大于直管段；

2）当进口阀开度为60°时，此时泵的进流状态相比于阀门开度90°出现一定的恶化，网格1D和导流体1D显示出了比较明显的降噪效果，其中在进口阀60°时分别降低约1.8 dB和3.1 dB；

3）当进口阀开度为30°时，导流体1D的降低效果最明显，约为1.8 dB。

纵向对比图 11和图 12水泵在相同进口阀门开度、不同转速下对应的出口叶频线谱可以得出：

1）流场均匀装置的叶频降低效果与流速、泵进流状态密切相关；

2）当泵转速较高、进流状态较好时，流场均匀装置并不能够很好的降低泵出口叶频线谱；

3）当泵进流状态恶化时（进口阀门开度30°），流场均匀装置能够有效的降低叶频线谱值。

综上分析可以得出：

1）当泵转速较高进流状态较好时，流场均匀装置会小幅度的增加泵出口叶频线谱；当进流状态开始恶化时，流场均匀装置开始显示一定的降噪效果；当进流状态大幅度恶化，流场均匀装置可以大幅降低泵叶频线谱，最低的降噪效果有5.5 dB。

2）当泵转速较低时，在不同的阀门开度小，部分流场均匀装置能够有效的降低泵出口叶频线谱，其中导流体1D能够适应不同的泵进流状态，在所有的阀门开度下都有较大的降低效果。

4 结语

本文对不同流场均匀装置对降低水泵出口叶频效果开展了研究，对针对3型6个流场均匀装置进行了详细数值计算，通过对比出口叶频水声线谱及流场均匀性评估参数，结论如下：

1）网格1D和网格0.5D均流装置的流阻系数至少是设计方案的3倍，远大于其它均流装置。进口截面轴向平均速度角是影响水泵进流状态最关键的参数，在不考虑网格0.5D和网格1D的情况下，同心圆1D、导流体1D、同心圆0.5D、导流体0.5D都具有相当的一定流场均匀效果。根据压力不均匀度和轴系速度不均匀度分布可知，各流场均匀装置与直管之间差异极小，这2个参数对泵进进流状态影响有限。

2）导流体1D对比直管以及其他流场均匀装置，能够适应较宽水泵转速及进流状态。泵在高转速运转时，进口阀门开度为30°时导流体1D降噪效果能够达到5.7 dB；当进流状态较好且泵位于高转速时，进口阀开度为90°时，虽然没能够降低叶频线谱，但其使得增加值只有1.2 dB，具有较广的使用范围。