0 引　言

船舶由于日常燃油消耗等载荷变化导致船体姿态出现纵倾时，通过艏、艉平衡水舱之间移水调整船体的静载荷重量分布，可实现船体的纵倾姿态调整。为使单次定量移水获得的纵倾调整力矩最大化，平衡水舱通常布置在艏、艉末端。传统移水系统采用气动方式移水，舱内压缩空气驱动海水从一端水舱通过长距离管路输送至另一端水舱^{[1 − 2]}。平衡水舱间移水距离长、流速高，在移水结束时需快速关闭电液球阀切断水流，造成海水流速剧烈变化，引起水柱分离和弥合，诱发严重的水锤冲击问题，对船舶的系统安全性和总体隐蔽性造成重要影响^{[3 − 6]}。

本文针对船舶大间距移水系统产生的严重水锤问题，从水锤产生的机理出发，找出与移水水锤升压强关联的主要影响因素，采用系统仿真的方法对关阀时间、移水压力、管道粗糙度等影响因素进行单一变量的比对计算，分析变量参数与水锤升压之间的关联关系，提出大间距移水系统水锤治理的可行措施。

1 大间距移水系统原理

如图1所示，移水系统主要由控制系统、供排气系统及海水系统组成。船舶上通常会设置2套独立的移水系统，分别承担艏向艉或艉向艏的移水任务。移水系统一端的平衡水舱充满压缩空气，另一端的平衡水舱与船内大气环境相通。当需要艏向艉移水时，通过控制台将艏部平衡水舱充至指定压力，艉部平衡水舱的排气阀开启，使之与舱内大气环境相通。在控制台远程遥控开启海水系统控制阀，艏部平衡水舱内海水在气压的推动下，通过管路移送至艉部平衡水舱，当达到指令移水量后，关阀完成单次移水动作。

通常为保证船舶操纵控制的机动性，总体对系统移水的流量和控制精度具有较高的要求，平衡水舱内移水压力、控制阀开阀时间、管道直径、管道长度等设计参数都与移水的流量和精度密切相关。受总体布置影响，管道长度属于系统固有参数无法改变，故本文选取移水压力、开阀时间、管道直径3个设计参数，探究其与移水系统水锤升压之间的关系，支撑移水系统水锤冲击优化治理。

2 数学模型及仿真模型 2.1 水锤基本方程

针对移水系统大间距移水产生的水锤升压，工程中通常采用一维仿真计算软件进行研究分析。所有水锤计算软件均遵循水锤基本微分方程，属一维波动方程^[7]。对非恒定流的运动方程及连续性方程进行整理和简化，可导出水锤的基本微分方程组，包含运动方程和连续性方程。运动方程是基于流体的动量守恒方程，连续性方程是基于流体的质量守恒方程。

水锤运动方程：

$ \frac{{\partial H}}{{\partial x}} + \frac{V}{g}\frac{{\partial V}}{{\partial x}} + \frac{1}{g}\frac{{\partial V}}{{\partial t}} + \frac{{fV}}{{2gD}}\left| V \right| = 0。$

(1)

水锤连续性方程：

$ \frac{{\partial H}}{{\partial t}} + V\frac{{\partial H}}{{\partial x}} + \frac{{{a^2}}}{g}\frac{{\partial V}}{{\partial x}} = 0 。$

(2)

式中：$ f $为沿程阻力系数；$ H $为管道中流体的压力水头，m；$ V $为管道中流体的流速，m/s；$ D $为管道直径，m；$ g $为重力加速度，m/s²；$ a $为水锤波波速，m/s。

2.2 物理仿真模型及参数设置

按照船舶移水系统实际设计参数，运用FLOWMASTER软件建立船舶移水系统管网的一维仿真模型，如图2所示。管网包含压力水罐、若干管道、弯头、球阀及开关阀控制器等，压力水罐用于模拟艏艉平衡水舱，球阀及开关阀控制器模拟截断控制的电液球阀，管道、变径管管件及弯头按照实船设计配置。

压力水罐初始条件设定为容积为20 m³，外径为1800 mm，有效高度为6733.5 mm，水位为2700 mm；弯头特性设定为弯曲半径与直径比为1.5，直径为100 mm；阀门控制器根据工况需要设置关阀时长。

3 水锤影响因素分析 3.1 关阀时间影响分析 3.1.1 计算工况

移水过程中控制阀的快速截断导致管道内出现液柱分离和弥合，阀门关闭的快慢理论上会对液柱分离程度产生影响。本节以移水方向艏向艉、移水压力0.4 MPa工况为例，在不改变其他参数的情况下改变关阀时间，仿真计算控制阀开启后系统管道内流体压力瞬变特性，探究关阀时间对系统内水锤冲击的影响规律。艏部平衡水舱设置舱内气压0.4 MPa，艉部平衡水舱舱内压力设置为0，通过阀门控制器设定在t=0 s时刻开启阀门，阀门开启t=10 s后开始匀速关闭阀门。根据表1计算工况，开阀和关阀时长均依次设定为1、2、3、4、5 s。不同关阀时间计算工况如表1所示。

3.1.2 计算结果分析

关阀时长1 s和5 s对应的阀前和阀后压力曲线如图3所示，由于篇幅限制，其他关阀时间下的压力曲线不再赘述。在t=0 s阀门开始开启后，系统内介质在舱内气压推动下，压力能转换成动能，管内流体介质开始加速，阀前压力由于开阀动作的扰动，呈现小幅波动并稳定下降的规律，阀后管内介质则在阀前压力的传导下，测点压力快速上升，直至阀门安全开启后趋于稳定。在t=10 s阀门开始关闭后，阀门阻力系数逐渐增大，阀前流体介质在控制阀的阻塞下，由于流体惯性作用出现挤压，测点压力快速上升，直至阀门完全关闭后，阀前管内介质压力出现周期性震荡，呈现出典型的正压水锤效应现象。阀后流体介质则在惯性力作用下引起液柱分离，阀后测点压力迅速降低直至真空状态，而后在负压的作用下，介质被拉回挤压，如此往复，管道内周期性出现破坏力较强的真空负压及冲击正压，呈现出典型的负压水锤效应，直至在系统阻尼作用下逐渐消失。

各关阀时间阀前和阀后测点压力峰值如表2所示。可以看出，其他参数不变的情况下，随着关阀时间变长，控制阀前后的冲击压力峰值减小。

在移水过程中，阀门的快速关闭引起系统内阻力迅速变化，阀前和阀后介质在惯性力作用下出现挤压和分离。可知，阀后流体介质在逆压梯度作用下朝阀门方向流回，液柱发生弥合，蒸汽空穴被破坏，在系统中引起破坏性的高压。适当延长关阀时间，如从1 s关阀延长至5 s关阀，在阀门关闭过程中阀门阻力逐渐变大，使得流速的变化率随之减小，此时液体回流至阀门处时产生的水锤升压就越小。对于移水系统而言，可适当延长关阀时间来抑制过大的水锤升压。

3.2 移水压力 3.2.1 计算工况

平衡水舱内移水气压是系统移水的驱动力，对移水过程中管道内海水介质流速有重要影响。本节在移水方向艏向艉、管道直径100 mm、关阀时间1 s的工况下，设置不同的移水压力，探究移水压力对水锤冲击的影响规律。艏部平衡水舱分别设置为0.8、0.6、0.4 MPa，艉部水舱压力设为0，计算工况如表3所示。

3.2.2 计算结果分析

图4为移水压力0.8 MPa和0.4 MPa对应的阀前和阀后压力曲线，不同移水压力下阀前和阀后测点压力峰值如表4所示。可以看出，其他参数不变的情况下，随着移水压力增大，控制阀前后测点的冲击压力峰值均增大。主要原因是移水压力越大，管道内流体的速度越大，控制阀截断后流体由于惯性力作用产生的液柱分离越剧烈，弥合后产生的冲击压力越大。对于移水系统而言，在保证移水量不变的前提下，可考虑适当降低移水前平衡水舱内的气压。

3.3 管道直径 3.3.1 计算工况

以移水方向艏向艉，移水压力0.4 MPa，关阀时间1 s工况为例，在不改变其他参数的情况下改变管径，探究管径对水锤升压的影响。艏部平衡水舱压力设置为0.4 MPa、艉部平衡水舱压力设置为0，管路直径分别设置80、100、150 mm，计算工况如表5所示。

3.3.2 计算结果分析

图5为管径100 mm和150 mm对应的阀前和阀后压力曲线，不同管径对应的阀前和阀后测点压力峰值如表6所示。可知，在其他参数不变的情况下，随着管径增大，控制阀前后测点的水锤升压均减小。主要原因是移水压力作为管内流体驱动力不变，增大管道直径，管内的介质流速会随之减小，水流的惯性力相应减小，从而降低水流升压和降压。因此，为抑制系统水锤冲击压力，在总体布置允许的条件下，可适当增大移水系统管道直径。

4 结　语

1）在其他参数不变的情况下，延长关阀时间、降低移水压力、增大管道直径可抑制移水系统控制阀前后的水锤升压。

2）针对实船移水系统的水锤冲击问题，在不改变移水流量和精度指标的前提下，可采取适当降低平衡水舱移水压力、增大管道直径、调节阀门控制器适当延长关阀时间等组合措施，抑制系统管路内关阀瞬间产生的破坏性正压水锤和负压水锤。