管路内残余气体对管路振动的影响分析与实验研究

　　船舶上分布有众多的管路,管路在输送流体介质完成其使命任务的同时,也产生并传播随之诱发的振动和噪声。管路产生的振动和噪声对船舶的舱室的居住性和总体的声环境都存在负面影响。近年来管路振动噪声控制已经成为研究的热门项目之一,研究中发现管路既是声通道也是声源[1]。而如何应用振动噪声控制技术措施,选用何种技术措施达到较好的综合减振降噪目的则是工程应用必须关注的课题。本文以管路振动控制研究实践为基础,对管路内的气体加剧管路内流体局部空化形成气穴的机理进行了试验验证分析,提出了排放管路系统内的残余气体控制管内流体空化降低管路振动噪声的实用方法。

　　1  管内流体动态特性与管路振动噪声

　　船舶上的管路可分为输送液体的管路和输送作的管路几乎都是输送液体的管路,因此本文所涉及的管路仅为输送液体的管路。这些管路内的流体在流动过程中,如果遇到弯头、阀门等流体通道方向或截面变化急剧的部位,将产生较大的压力差[2]。当该压力变化的幅度超过了流体发生空化形成气穴的临界值时[2],在管路内将出现因空化诱发的振动和噪声。此时在管路附近可以用人耳听见类似爆炸的声响。管路振动的峰值主要分布在中高频的区域,且具有随流速增加阶跃性上升的典型流体空泡噪声的特征[3]。

　　流体对于不同的压差可产生不同程度的气穴。当压力差能使混入液体中的微细气泡的体积膨大并聚合形成有相当体积的气泡时,则可能出现轻微气穴;当压力差能使低压达到空气分离压时,除了混入液体中的气泡膨大聚合形成较大气泡外,溶解于液体中的空气也将大量迅速自液体中分离而产生大量气泡,形成严重气穴;若压力差使低压达到该温度下液体的饱和蒸气压以下时,除了液体中所含的空气析出形成气泡外,液体还将汽化沸腾产生大量气泡,这时将产生强烈气穴[2]。无论如何,只要管路内的流体产生气穴,则噪声将急剧升高,诱发的管路振动也将随之凸现。而从流体空泡噪声形成的机理可知,管路内的气体有提前产生和加剧空泡噪声的作用[2]。

　　通常用气穴系数R作为衡量流体形成气穴的参数。对于特定的流体存在一个临界气穴系数Rcr,R<Rcr时,流体中将形成气穴。气穴系数定义为

　　式中:Pg:一定温度下的空气分离压;

　　P2:发生气穴的最低压力;

　　V2:对应P2处的平均流速。

　　当P2-Pg越小时,即越接近液体的空气分离压时,R越小,越易产生气穴。如果流体中空气的含量增加,必然使Pg升高,使R变小。即当管路内残存有气体时,在管路内流体流动时气体可以溶入流体增加流体中的空气含量,使流体的空气分离压升高,导致空化提前或加剧。因此,管路内残存的气体对管路由空化导致的振动噪声具有加剧的作用。