船舶典型充汽管路水动力特性数值预测

杨元龙，李坚波，孙宝芝，杨龙滨，王兴刚中国舰船研究设计中心，湖北武汉40064海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海09哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨5000

船舶典型充汽管路水动力特性数值预测

杨元龙1，李坚波2，孙宝芝3，杨龙滨3，王兴刚1
1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064
2海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913
3哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001

建立船舶典型充汽管路三维计算模型，运用计算流体力学方法进行充汽管路流体水动力特性数值研究，捕捉流体压力、流速、密度、湍流动能等关键参数分布规律，基于流致振动预测机理，揭示与流致振动密切相关的流体流动能量。计算结果显示：充汽管路弯头部位产生由外壁向内壁发展的二次流动现象，导致弯头区域呈现内壁压力小、流速高、密度小、湍流动能及耗散率高等情况；基于流体流动能量分布规律，充汽管路弯头区域能量出现最大值，且弯头内壁流动能量高于外壁，可以预测充汽管路弯头内壁侧承受流致振动破坏较严重，实际充汽管路检测数据验证了数值预测结果。

充汽管路；水动力特性；流致振动

0　引言

船舶充汽系统管路是实现从增压锅炉向蒸汽蓄热器供汽的关键管路，具有充汽负荷高、热冲击大、周期性频繁波动的特点［1-2］。在周期性大负荷扰动的充汽过程中，充汽系统管路的压力场和速度场产生剧烈的高频率脉动，不仅在管路近壁区域激发很高的壁面剪切应力，更增强流体湍流脉动程度，引起显著的流体动力学效应，从而诱发充汽管路产生剧烈的流致振动现象［3-5］。因此研究周期性大负荷扰动下充汽管路水动力特性对船用蒸汽动力系统控制及安全稳定运行具有重要意义。

目前国内外学者针对蒸汽系统管路流场特征做了大量研究［6-9］，但在公开文献中关于船舶充汽系统管路水动力及流致振动特性的研究较少。本文将以实际船舶典型充汽管路为原型，采用CFD计算流体软件，模拟船舶典型充汽管路的流动，捕捉压力、密度、流速等关键参数的分布规律，结合充汽管路流致振动的诱发机理，揭示与流致振动密切相关的流体流动能量，明晰充汽管路的“薄弱”部位，最终摸索出大负荷扰动条件下船舶充汽系统管路流体水动力及流致振动变化特性的预测方法。

1　物理结构及网格模型

图1为船舶典型充汽系统管路结构图。充汽管外径为0.15m，管路总长为11.2m，其包含6个直角弯头，弯曲半径为0.45m。

如图2所示，充汽系统管路采用六面体结构化网格进行网格划分，筒壁处基于O型网格技术手段添加边界层网格，网格近壁尺寸y+为30～40，保证近壁网格尺度满足壁面率要求。基于网格敏感性分析，计算域共计300 000个网格单元。

图1　充汽管路结构Fig.1 Structure of charging pipe

图2　充汽管路网格模型Fig.2 Gridmodelof charging pipe

2　计算边界条件

为准确预测船舶充汽管路的水动力变化特性，基于实际船舶典型充汽系统管路的流动和传热参数，设置边界计算条件：过热蒸汽进口压力为6.18 MPa，进口温度为430℃，出口压力为5.6 MPa，管壁满足绝热（管路包覆保温层，且外表面温度低）和无滑移边界条件。过热蒸汽介质参数的计算标准均来自IAPWSIF97数据库［10］。

3　充汽管路水动力特性预测

3.1水动力特性分析

图3为充汽管路压力变化云图。由图可知，沿着充汽管路中蒸汽介质流动方向，蒸汽压力逐渐降低，由于在充汽过程中，管路内表面存在一定粗糙度，导致过热蒸汽与管路产生摩擦阻力。同时，充汽管路上有6个直角弯头，对蒸汽介质产生局部阻力。因此，在摩擦阻力和局部阻力的综合作用下，充汽管路的压力不断降低。如图3所示，直角弯头的外壁压力明显高于内壁压力，主要是由于在离心力的作用下，推挤弯头中心区域的蒸汽介质至外壁，导致弯头外壁区域压力明显高于内壁。

图3　充汽管路压力变化云图Fig.3 Pressure contoursof charging pipe

图4所示为充汽管路蒸汽介质流速矢量分布规律。可以看出，沿着充汽管路介质流动方向，蒸汽流速逐渐升高。从充汽管路6号弯头处横剖面流速矢量图可以看出，由于离心力的作用诱发弯头横剖面产生二次流动，致使流速较高的蒸汽快速流向弯头内壁面，且弯头中心区域流体向外壁扩散，弯头内壁附近流体横掠中心区域向外壁流动。计算结果与文献［6］中的数值模拟结果吻合较好。

图4　充汽管路流速矢量分布规律Fig.4 Velocity vector distributionsof charging pipe

图5～图6给出了充汽管路湍流动能和湍流耗散率变化云图。由图可知，沿着流动方向，充汽管路湍流脉动动能和耗散率逐渐增大。由于湍流动能与蒸汽流速成正比关系，沿着充汽管路中蒸汽介质流动方向，蒸汽介质压力不断降低，流速升高，促使湍流动能和耗散率逐渐增大，且在二次流动作用下，弯头内壁区域的湍流动能和耗散率明显高于外壁，增强湍流流体微团之间的动量传递，导致弯管区域湍流剧烈脉动。

图5　充汽管路湍流动能分布规律Fig.5 Turbulence kinetic energy distributions of charging pipe

图6　充汽管路湍流耗散率分布规律Fig.6 Turbulence eddy dissipation distributionsof charging pipe

充汽管路壁面剪切应力变化规律如图7所示。在充汽管路直管区域，壁面剪切应力不是很大，但在弯头部位壁面剪切应力突然增大，且沿着充汽介质流动方向，流速不断升高，剪切应力峰值也逐渐增大。同时，由于弯头内壁湍流脉动更剧烈，弯头内壁侧剪切应力最大值约是外壁的3倍。

图7　充汽管路壁面剪切应力分布规律Fig.7 Wall shear distributionsof charging pipe

3.2流致振动预测分析

图8～图9示出了充汽管路流速分布曲线和云图。充汽管路内蒸汽流速呈先快速升高再急剧降低的变化规律，究其原因主要是沿着流动方向压力不断减小，促使流速快速升高，并由于弯管部位二次流动的作用，导致流速急剧升高。因此在两相邻弯管间，呈流速由高到低的周期性变化规律，且由于弯管沿程连续作用，导致蒸汽流速快速升高。

图８　充汽管路流速变化曲线Fig.8 Velocity curve of charging pipe

图9　流速局部分布规律Fig.9 Local velocity distributions

图10～图11给出了充汽管路内蒸汽密度变化曲线和云图。由图可知，沿着充汽管路蒸汽流动方向，蒸汽密度呈先快速降低再逐渐升高的分布规律。主要是由于沿着流动方向，压力降低，蒸汽流速升高，在质量流量守恒条件下，可压缩过热蒸汽的密度不断降低。但由于弯管区域流速急剧升高，进而导致弯管部位密度快速减小。因此在两相邻弯管间，出现明显的蒸汽密度由小到大的周期性变化过程，且由于弯管沿程连续作用，导致蒸汽密度不断减小。

图10　充汽管路内蒸汽密度变化曲线Fig.10 Steam density curve of charging pipe

图11　充汽管路内蒸汽密度变化云图Fig.11 Steam density contoursof charging pipe

流致振动的诱发机理主要包括湍流激振、流体弹性不稳定、漩涡脱落和声共振。文献［5］指出，湍流激振、流体弹性不稳定是流体诱导振动的主要机理。对于流动机制复杂的船舶充汽系统管路，湍流诱导充汽管路的压力和速度产生随机性的脉动，而脉动的压力和速度场产生的湍流激振力不断供给管子能量，管子吸收能量产生振动且引起显著的流体动力效应。因此，基于湍流激振、流体弹性不稳定2种机理，诱发充汽管路流致振动的激振力与流体流动的能量成正比关系，其中流体流动能量等于流体平均密度ρ乘以流速U的平方值［3-5］，即ρU2。

图12～13给出了充汽管路流体流动能量分布曲线和云图。从图中可以发现，蒸汽流速和密度的综合作用，导致在两相邻弯管间出现明显的流体流动能量由大到小的周期性变化过程，且由于弯管沿程连续作用，导致流体流动能量不断增大。基于上述的流致振动预测分析机理，弯管部位流体流动能量更大，预示充汽管路的弯管区域承受流致振动破损更严重。

图12　充汽管路流体流动能量变化曲线Fig.12 Fluid energy curve of charging pipe

图13　流体流动能量分布规律Fig.13 Fluid flow energy distributions

图14显示了充汽管路弯管部位流致振动预测数据与实际弯头检测结果的对比。由于弯管区域二次流动的影响，促使弯管内侧流速高，流体流动能量大，从而导致充汽管路内部区域承受流致振动破损更加严重，另外弯头部位流致振动数值预测与实际船舶充汽管路检测结果基本吻合，验证了数值方法预测充汽管路流致振动分布规律的可行性和准确性。

图14　流体流动能量局部分布规律Fig.14 Local fluid energy distributions

4　结论

本文通过建立船舶典型充汽管路三维计算模型，运用CFD方法开展充汽管路系统水动力特性的数值研究，明晰了压力、流速、密度、湍流动能等关键参数的分布规律，并基于流致振动预测机理揭示了与流致振动密切相关的流体流动能量。主要结论如下：

1）在离心力作用下，充汽管路弯头部位产生由外壁向内壁发展的二次流动现象；

2）二次流动导致弯头区域内壁压力小、流速高、密度小、湍流动能及耗散率高，外壁压力大、流速低、密度大、湍流动能及耗散率低；

3）基于流体流动能量分布规律，充汽管路弯头部位流动能量出现最大值，且弯头内壁流动能量高于外壁，可以预测充汽管路弯头内壁侧承受流致振动破坏较严重，实际充汽管路破损数据验证了本文CFD预测结果。

［1］胡继敏，金家善，严志腾.汽源参数变化对储汽筒充汽系统变工况性能的影响［J］.海军工程大学学报，2012，24（5）：102-107. HU Jimin，JIN Jiashan，YAN Zhiteng.Influence of steam supply parameters variation on performances of steam accumulator system［J］.Journal of Naval University of Engineering，2012，24（5）：102-107.

［2］孙宝芝，郭家敏，雷雨，等.船用蒸汽蓄热器非平衡热力过程［J］.化工学报，2013，64（增刊1）：59-65. SUN Baozhi，GUO Jiamin，LEIYu，et al.Non-equilibrium thermodynamics process of marine steam accumulator［J］.CIESC Journal，2013，64（Supp 1）：59-65.

［3］SUN B Z，YANG Y L.Numerically investigating the influence of tube support plates on thermal-hydraulic characteristics in a steam generator［J］.Applied Thermal Engineering，2013，51（1/2）：611-622.

［4］PITTIGREW M J，TAYLOR C E，SUBASH N. Flow-induced vibration specifications for steam generators and liquid heat exchangers：AECL-11401［R］. Chalk River，Ontario：Fluid Sealing and Dynamics Branch Chalk River Laboratories，1995.

［5］AXISA F，ANDUNESJ，VILLARD B.Overview of numerical methods for predicting flow-induced vibration ［J］.Journalof Pressure Vessel Technology，1988，110 （1）：6-14.

［6］江山，张京伟，吴崇健，等.基于FLUENT的90°圆形弯管内部流场分析［J］.中国舰船研究，2008，3（1）：37-41. JIANG Shan，ZHANG Jingwei，WU Chongjian，et al. Numerical simulation of inner flow in 90°bending duct of circular-section based on FLUENT［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（1）：37-41.

［7］查友其，张成，丁建军，等.船用海水冷却管路冲击响应计算［J］.中国舰船研究，2013，8（4）：68-73. ZHA Youqi，ZHANG Cheng，DING Jianjun，et al. Shock response calculation of marine seawater cooling piping systems［J］.Chinese Journal of Ship Research，2013，8（4）：68-73.

［8］FERNG Y M，TSENG Y S，PEIB S，etal.A two-phase methodology to predict FAC wear sites in the piping system of a BWR［J］.Nuclear Engineering and Design，2008，238（9）：2189-2196.

［9］庞天照，郭伟，盛元平，等.基于流固耦合的U型管流致振动数值分析［J］.中国舰船研究，2011，6（4）：29-33. PANG Tianzhao，GUOWei，SHENG Yuanping，et al. Numerical simulation of fluid-induced vibration in U-tube based on FSI［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（4）：29-33.

［10］WAGNERW，COOPER JR，DITTMANN A，et al. The IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power Transactionsof the ASME，2000，122（1）：150-182.

［责任编辑：田甜］

Num erical prediction on the hydrodynamic characteristics for typical ship charging pipes

YANGYuanlong1，LIJianbo2，SUN Baozhi3，YANG Longbin3，WANGXinggang1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai201913，China
3 College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A three dimensional calculation model of typical ship charging pipes is established in this paper，where its hydrodynamic characteristics are investigated using the CFD method.The distribution of key parameters such as pressure，velocity，density，and turbulence kinetic energy are obtained.Based on the prediction mechanism of flow induced vibration，the flow energy，which is closely related to flow induced vibration，is revealed.The calculated results show that the secondary flow phenomenon，occurring from the outer wall to the inner wall，is most prominent at the elbow of charging pipes.This secondary flow could lead to low pressure and density，higher velocity and turbulence kinetic energy with the region. Based on fluid flow-energy distributions，the flow-energy are estimated to reach its maximum value at the elbow；meanwhile，the flow-energy for the inner wall will be higher than that for the outer wall.These hydrodynamic results suggest that the flow induced vibration damage for the inner wall around the elbow could be rather serious，which is then verified with actual test data.

charging pipe；hydrodynamic characteristics；flow induced vibration

U664.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.020

2014-09-01网络出版时间：2015-7-29 9:23:57

杨元龙（通信作者），男，1986年生，硕士，助理工程师。研究方向：舰船蒸汽动力系统性能仿真及设计。E-mail：long31609@163.com