2022, Vol. 44
在海上长时间航行的船舶，由于受海流、海浪以及海风等因素的影响，航行的平稳性难以避免会受到影响，为保证船舶具有较好的运行平稳性与操作性[1-2]，船舶上设有移水系统，通过2个水箱之间的移水从而实现浮力调节，进而保证船舶运行的平稳性、操作性和安全性[3]。
马士虎[4]建立移水系统的数学模型，确定了仿真软件以及技术接口的组成，最终确立了其程序框图。朱靖宇[5]提出移水系统的设计方案以及本地电动、本地自动和遥控3种控制系统的研制方案。蔡标华[6]通过AMEsim软件建立移水系统的模型，分析发现水锤峰值一般发生在阀门附近，且延长阀门关闭时间有助于减小移水系统水锤的产生。李斌[7]在其基础之上通过Flowmaster瞬态仿真对移水系统水锤抑制的方法进行了研究，研究发现两阶段关阀策略以及加装蓄能元件均能较好的抑制水锤。彭利坤[8]通过AMEsim软件建立了球阀模型，用于研究移水系统气移水时管路的冲击特性，发现阀后加装蓄能器和缩短管长均有助于减小压力冲击，阀门线性关闭规律相较正弦关闭规律所产生的压力冲击峰值更小。前述的数字模型与仿真软件分析对移水系统的管路特性、水锤与冲击效应做了充分研究，在移水系统的减振降噪方面发挥了巨大作用，但是鲜有针对均压移水系统水力特性的研究。
针对船舶移水系统存在管路长、流量大、存在背压等问题，本文建立均压移水系统Flowmaster模型，通过将移水系统中两水箱排气孔相连组成均压移水系统，通过仿真对均压移水系统关阀后系统水力特性进行研究，并设计试验验证仿真结果的正确性。
1 均压移水系统建模、仿真与试验 1.1 均压移水系统基本原理均压移水系统原理图如图1所示。均压移水系统共有水回路与气回路2条回路。
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图 1 均压移水系统原理图 Fig. 1 Schematic diagram of pressure-balancing water conveying system |
其中水回路的核心元件分别为离心泵，水箱1和水箱2。水箱1和水箱2模拟实际船舶结构中的2个水箱，两水箱的容积均为
气回路的核心元件为供气装置以及供气调节阀组，负责为水箱1和水箱2充压，初始压力为
均压移水系统根据控制阀3的开闭情况分为均压移水与均压平衡2个工况。
当控制阀3完全关闭前，水回路与气回路均保持连接状态时，系统进入均压移水工况。水箱1中的水从水回路经离心泵增压后流入水箱2中，此时因为水箱1中有水流出、水箱2中有水流入，因此水箱1中气压降低、水箱2中气压升高，两水箱内气压不平衡导致水箱2中气体通过气回路进入水箱1中。具体流动情况如图2所示。
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图 2 均压移水工况 Fig. 2 Pressure-balancing water conveying operation condition |
当控制阀3完全关闭后，水回路断开气回路保持连接，系统进入均压平衡工况。此时两水箱内仅有气体流动而无水流动，因此两水箱内的气压会逐步趋于一致。具体流动情况如图3所示。
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图 3 均压平衡工况 Fig. 3 Pressure-balancing air proportion operation condition |
依据图1，在Flowmaster中建立如图4所示均压移水系统模型。
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图 4 均压移水系统Flowmaster模型 Fig. 4 Flowmaster model of pressure-balancing water conveying system |
在Flowmaster模型中，元件1、元件2、元件3、元件6分别表示水箱1、水箱2、离心泵和控制阀3，分别用
试验开始前，水箱1和水箱2中装有
试验开始后，打开供气调节阀组向水箱1和水箱2供气均压，当两水箱内气压达到
图5为均压平衡工况下仿真与试验结果对比。试验过程中为防止管路出现严重的水锤效应对系统元器件产生破坏，将关阀时间设为5 s。可知，
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图 5 均压平衡工况仿真与实验结果对比（P0 = 0.25 MPa） Fig. 5 Comparison of simulation and experimental results under pressure-balancing air proportion operation condition （P0 = 0.25 MPa） |
图6为根据仿真结果绘制的在均压移水工况下150 s时管路系统不同位置压力分布曲线，其中水回路压力分布曲线包含
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图 6 管路系统不同位置压力分布（均压移水工况，P0 = 0.25 MPa） Fig. 6 System pressure distribution （pressure-balancing water conveying operation condition, P0 = 0.25 MPa） |
在水回路中，由于水箱1中水压的影响，
在气回路中，水箱2到水箱1中仅有沿程损失没有增压元器件，因此直接将水箱2液面压力与水箱1液面压力相连，水箱2液面压力高于水箱1液面压力。
2.2.2 均压平衡工况压力变化图7为均压移水系统均压平衡工况压力变化曲线。在
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图 7 均压平衡工况压力变化（P0 = 0.25 MPa） Fig. 7 Pressure change under pressure-balancing air proportion operation condition (P0 = 0.25 MPa) |
为探究均压移水系统不同初始压力对系统均压平衡工况的影响，通过Flowmaster软件仿真系统初始压力分别为
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图 8 不同P0时均压平衡工况P1和P2 Fig. 8 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different P0 |
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图 9
不同
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根据图8可知，在
因此初始压力主要影响
图9为均压移水系统整个仿真过程中泵入口压力曲线变化图。可知，不同初始压力下，初始压力越大，泵入口压力越大。由于在开阀阶段泵口压力持续降低，因此初始压力越小，泵越容易产生气蚀，从而对泵的性能产生影响。当初始压力为
为探究均压移水系统气回路管路不同管径对系统均压平衡工况的影响，通过Flowmaster软件仿真气回路管路公称直径分别为
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图 10 不同管径下气回路均压平衡工况P1和P2(P0 = 0.25 MPa) Fig. 10 Pressure-balancing air proportion operation condition P1 and P2 under different pipe diameters(P0 = 0.25 MPa) |
可知，在
因此不同管径不仅影响
本文通过将船舶移水系统中两水箱排气孔相连从而组成均压移水系统，用Flowmaster软件对均压移水系统的水力特性进行仿真，并通过试验验证仿真结果的正确性，得出以下结论：
1）关阀后系统进入均压平衡状态，由于水回路断开气回路保持连接，
2）随着系统初始压力
3）随着系统气回路管径的增大，关阀前
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