0 引　言

现代舰船动力装置中广泛采用了自流冷却系统^{[1 – 2]}，其利用舰船航行时迎面水流所产生的动压头，在一定速度范围内，可仅凭自流满足冷凝器所需的冷却水量，从而实现循环水泵的停运，减少泵运转引起的振动噪声；循环水泵只是在低航速及高航速工况下使用，功耗大大降低，并能有效地减小泵的尺寸，释放空间^{[3 – 5]}。

进出口接管是自流冷却系统的重要部件。进出口接管的形式决定了自流冷却系统的流量、压头，是能否形成自流满足主冷凝器冷却水需要的关键。另外由于进出口接管一部分伸出舷外，会使船舶航行阻力增加。因此，自流冷却系统进出口接管的布置和几何参数的选择，要保证在附加拖曳阻力最小的情况下，系统有可靠的压头以满足冷却水量的需求。已有研究表明：进口接管的工作特性直接影响自流系统的性能优劣，出口接管的水力性能与整个系统的损失及流量特性密切相关^{[6 – 7]}。

由于计算机技术的发展，数值计算分析的方法在该技术上得到广泛使用^{[7 – 9]}，但由于实际约束，计算结果难以得到有效试验验证。本文在理论分析的基础上采用了缩比原理性试验，对进出口接管进行优选试验研究。通过不同方案下进出口接管方案的试验组合，测定相对静压头与相对流速之间的关系曲线，获得不同工况下自流冷却系统的流量特性，为自流冷却技术的实际应用提供依据。

1 试验系统 1.1 试验台架

试验台架由水箱、循环水泵、控制阀、自流冷却系统进出口装置、管路、流量计、差压计等搭建组成，试验系统原理如图1所示。试验水道是长为L的矩形水道，尺寸为W×H；自流冷却水道为内径φD的圆形水道。试验水道和自流冷却管路上分别设置超声流量测量仪和电磁流量计进行冷却水流量测量；自流冷却系统进出口接管的管路间设置差压计进行压差测量。

1.2 试验方法

试验过程中按照Re相似和Eu相似来模拟实际工况。

试验台架、测量仪表等安装完毕后，进行系统紧密性、水泵运转稳定性、阀门操作灵活性、仪表指示准确性等检查，确认系统运行正常后进行试验。启动循环水泵，通过试验水道上的阀门开度进行循环泵的流量调节，测得实验水道的流量Q₁；调节自流冷却管路上阀门的开度，从0开度到100%，共8个开度，测量自流冷却水道的流量Q₂以及进出口接管水道间自流产生的静压差h。

1.3 试验方案

根据已有经验，设计了6种进口接管方案，3种出口接管方案，如图2所示（D为圆形水道内径，下同）。

通过不同进出口结构方案的组合，试验方案共8组，具体方案如表1所示。

1.4 试验工况

通过调节试验水道流量控制水道流速来模拟船舶速度，试验工况共4个，如表2所示。

2 特性试验结果与讨论 2.1 不同进出口接管对系统流动特性的影响分析

进出口的相对静压差h/（ρV₁²/2）与相对流速V₂/V₁之间的关系是自流冷却系统的特性，该特性曲线反映了进出口结构将迎面水流的动能转化为压力能的能力，在相同的相对速度下相对静压差越大越好。

图3显示了不同出口接管方案下自流系统的特性。从图中可以看出，在相同相对速度下，组合方案1的相对静压差相对较大，组合方案2、组合方案3以及组合方案4的特性曲线相差不大。对比4种方案可知，矩形过渡的进口接管形式（1）下系统将迎面水流的动能转化为压力能的能力较高，其原因是该方案下的进口面积相对较大，试验水道推入自流回路的流体更多，使得其自流流量更大。该结果与文献[9]中模拟结果一致。

图4展示了不同进出口接管组合方案下系统的自流特性。从图中可知，组合方案5的相对速度-相对静压差曲线最低，方案6和方案8的曲线基本重合。对比4种组合方案可知，在相同的相对速度下，出口接管形式（2）方案下系统自流能力相对较差，即垂直圆扩的出口形式不利于系统自流。

从图3和图4 的综合对比可以看出，不同进出口接管方案下，系统的自流特性各不相同；在出口接管形式（1）组合方案下系统的自流特性皆优于出口接管形式（2）和（3）组合方案，这说明圆管垂直的出口形式能最大化利用迎面水流的动能，进口接管伸出艇体的形式好于与艇平齐的形式，且组合方案1下系统的自流特性最好。

2.2 变工况运行对系统流动特性的影响分析

对于船舶而言，变工况运行时存在，自流系统需要能利用一定范围内迎面水流的动能，而不仅仅是某一固定工况，即在较广的工况范围内都能自流。以自流特性最好的组合方案1和出口接管形式自流特性相对较好的方案8为例分析不同工况下自流系统的特性。其中各工况对应的水道流量的大小为Q_A1＜Q_B1＜Q_C1＜Q_D1。

图5（a）和图5（b）分别为组合方案1和组合方案8在不同工况下自流系统的特性曲线，从图5（a）中可以看出不同水道流量下系统的特性曲线趋势基本一致，从表2可知，工况D与工况A的试验水道流量关系近2倍，但是系统的特性曲线之间相差却不到10%。从图5（b）可以明显看出，不同工况下，系统的相对速度-相对静压差关系曲线几乎不变，相互之间差距在2%左右，说明试验水道流量变化对组合方案8的特性曲线几乎无影响。

综合上述实验结果可以看出，不同工况下的系统相对速度-相对静压差关系曲线趋势一致，相对静压差均随着相对速度的增加而降低，这与能量守恒定律相符。同一进出口接管形式下不同工况曲线间差异很小，可以认为该曲线与水道流速（即船舶航速）无关，是个固有特性曲线。已有理论研究^[7]也表明自流特性仅取决于进出口接管的形状等。

2.3 系统阻力对自流流量的影响分析

从试验结果可知，组合方案1的自流特性较好，以此为基础分析相同试验水道流量下不同流动阻力的系统自流量。

图6展现了不同系统阻力下自流回路自流量的大小。试验结果表明，在某一固定工况下，自流回路系统的自流量随着流动阻力的增加而降低，且降低率越来越少。同时可以看出，系统的流动阻力越小，同一工况下系统的自流量就越大。但是自流量也不可能无限大，这是因为系统总是存在一定阻力元件，采取有效措施降低这些部件的流阻系数以降低整个系统的流动阻力，从而获得最大的系统自流量，是自流冷却系统的关键因素。

从不同工况下系统的自流特性曲线对比图中可以看出，不同工况下，自流曲线也各不相同，但曲线趋势基本一致，且试验水道流速越大，系统的自流流量也越大。试验水量流量增加一倍，系统的自流量也增加了将近1倍。

3 结　语

1）本文采用缩比原理性试验，对8种进出口接管形式，在4种不同试验工况下进行优选试验，试验结果显示组合方案1下系统的自流特性相对较好。

2）进出口接管形式关系着自流冷却系统的自流特性，接管形式不同，系统自流特性也各有差异。矩形过渡的进口接管其自流特性好，垂直圆扩的出口形式不利于系统自流。

3）同一进出口接管形式下自流冷却系统的相对速度-相对静压差关系曲线在不同工况下表现出相同的规律，该特性曲线是系统的固有水力特性。

4）自流回路系统的自流量随着流动阻力的增加而降低，且降低幅度越来越少。不同工况下的自流流量随系统阻力系数变化趋势基本一致，同一阻力系数下，试验水道流速越大，系统自流量也相对越大，且基本成线性关系。