支管布置方式对输液管路压力脉动影响的试验研究

2013-06-12曾志松李开福

船海工程 2013年1期

曾志松，李开福，李威，金翔

(1.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074;2.武昌船舶重工有限责任公司，武汉430060)

流体管路在各类工业装置和日常生活中得以广泛应用，为实现特定的功能，流体管路用来传递质量流、动量流、能量流，管路中也因此不可避免地存在流体的压力脉动。而管路中的压力脉动会诱发结构振动与噪声，影响管路的声学性能，甚至引起结构的破坏［1-2］。本文通过试验的方法，研究了不同支管布置方式对管内压力脉动的影响。

试验中通过更换可替换测试段、调节流量阀，利用压力传感器采集不同流速、不同支管连接角度及布置位置时，管路中的流体压力脉动信号，对其进行FFT变换并求总级，获得不同工况下各测点的压力脉动级，进行对比分析，探寻管内压力脉动随支管连接角度及支管布置位置的变化规律。

1 试验方案

1.1 试验管路及测试系统

本试验搭建了如图1所示的试验管路系统，系统由水池、水泵、密封水箱、流量调节阀、管路测试段及辅助连接管路组成，并形成一个循环的管路系统。其中测试段由可替换直管和带支管直管组成，A、B、C三个测试断面分别位于可替换直管上断面、带支管段主管下断面、以及支管上中间位置断面。测试系统由9个压力传感器、1个石英压力传感器、2台动态应变放大器、2套八通道信号采集系统、3套4联装电桥、1台超声波流量计及计算机组成。

图1 管路系统模型示意

试验测试无法得到管路上被测断面的压力脉动分布，故在实际试验中选取断面上平均分布的几个点测试压力脉动，取其平均值作为此断面的湍流脉动强度。

在测试断面A、B两处分别取测点3个，均匀分布在断面上。在测试断面C处，当支管内径为36 mm时，仅布置1个测点，当支管内径为67 mm时，测点为3个，均匀分布在断面上。实际压力脉动测试断面及测点布置见图2。

图2 压力脉动测试断面及测点布置示意

1.2 试验内容及流程

本试验所考查的支管布置方式主要包括两个方面:一是支管与主管不同连接角度，二是支管不同布置位置，即主管与支管连接处所在断面到管路弯头末断面的距离。研究支管与主管不同连接角度对管路声学性能影响时，针对一定支管位置。取7个不同连接角度(15°、30°、38°、45°、60°、75°、90°)的可替换支管段，对比试验以寻找最佳的支管连接角度;研究支管不同布置位置对管内流场影响的管路声学性能影响时，以主管的外径D为参考，在90°的连接角度下，取4种不同的支管位置，L=1D、3D、5D、9D来确定最佳布置位置。

根据实际工程背景需要，本试验模型选取的主管内径为67 mm，支管内径为67 mm、36 mm。测试流速则依据相似性原理，确定为3.56 m/s、4.33 m/s、5.0 m/s(4.8 m/s细支管)，由于管路的沿程损失较大，5.0 m/s(4.8 m/s细支管)左右是管内流速能够达到的最大值。

搭建好试验台架后，通过更换带支管主管段来得到不同的连接角度，更换可替换直管段来改变安装位置，确定某一布置方式后，调节流量阀，用流量计测定管内流速，分别使其达到3.56、4.33、5.00 m/s(4.80 m/s细支管)，并测试不同流速下管路断面各测点处的压力脉动。采样频率取25.6 kHz，采样时间大于120 s，为保证数据的有效性，对每一种工况采集数据，均重复三次。

2 试验结果

对各压力传感器采集到的时域信号，利用Matlab编写程序进行FFT变换，在频域内分别求总级，得到相应测点的压力脉动级。其中计算频带为10 Hz～10 kHz，基准值为p0=1×10-6Pa。

根据上述处理方案，分别求取各断面的压力脉动级均值［3］。

(当支管内径为36 mm时，则只到L7)。

式中:LA、LB、LC——测试断面A、B、C处的压力脉动均值;

Li——各个测点的压力脉动级。

限于篇幅，本文没有具体给出每种工况下各测试断面压力脉动级，而是直接给出本文所要研究的压力脉动随支管连接角度及布置位置变化的对比图，分别分析支管内径为67 mm和36 mm时，同一流速下不同测试断面压力脉动随连接角度、连接位置的变化规律。

2.1 同一流速下，不同测试断面压力脉动随连接角度变化情况

支管内径为67 mm，流速分别为3.56、4.33、5.00 m/s时，不同测试断面处压力脉动随连接角度变化见图3。

图3 压力脉动随连接角度变化情况一

从图中可以发现，对于支管测试段，入口端(测试断面A)的压力脉动随连接角度的变化很小，为1～2 dB。相对而言，在连接角度为30°～45°时，压力脉动最低;在主管出口端(测试断面B)的压力脉动基本在38°～75°最低;在支管出口端(测试断面C)的压力脉动基本随着连接角度的增加而降低。这可能是因为随着角度的增加，支管的流速明显降低，进而导致压力脉动变小。

综上可知，当支管内径和主管内径一致(均为67 mm)，支管连接角度为38°左右时，管内总体的压力脉动较低。

支管内径为36 mm，流速分别为3.56、4.33、4.80 m/s时，不同测试断面处压力脉动随连接角度变化的见图4。

图4 压力脉动随连接角度变化情况二

对比发现，对于支管测试段，入口端(测试断面A)的压力脉动除个别测点外，随连接角度的变化很小，为1～2 dB;在主管出口端(测试断面B)的压力脉动基本在30°～38°最低;在支管出口端(测试断面C)的压力脉动基本随着连接角度的增加而呈现下降趋势。这可能是因为，随着角度的增加，支管的流速明显降低，进而导致压力脉动变小。

综上可知，当支管内径(36 mm)小于主管内径(67 mm)，支管连接角度为30°～38°时，管内总体的压力脉动较低。