赵 灯，吕 达，王升德，时瑞超，周耀兵*

（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430000）

引言

复杂系统的动力源一般仅设有一个高压气源，利用三通/四通等接口实现了对主路流量进行分流，而后通过加压/降压等手段满足各个子系统的压强需求。但在实际管路系统中不同接口形式可能导致不同支管所处地位不一样，从而导致高压气流在不同支管中流量将有所差异[1]。

由于实际工作过程中管路内存在压力损失，这导致不同接口处气压、流速等流场典型特性存在差异，在一定程度上会引起接口下游支管流量分配发生变化[2-3]。随着对系统运转的可靠性和稳定性要求日益增高，这必然对管路系统的设计提出了更高的要求，从而保障系统功能，例如通过合理的管理设计，均压系统就能够更有效率地实现在加压过程中多区域封闭空间的压差控制[4-5]。

1 仿真模型描述

为了提高注气效率，并保证各区域压差要求，在多区域系统中一般会增设多个支管，同时对多个区域进行加压。常用的接口类型见图1 所示，其中接口1和接口2 属于三通接口，两者的区别在于主管所处位置不同，接口3 属于四通接口。

在大流量高速气流中，考虑到气体可压缩性，接口类型的不同会引起不同支管间流量具有一定的差异。如果接口1 中两个支流管径保持相同，该结构具有一定的对称性，若忽略支管下游压强差异不明显，此时流量会近似均匀分配，此时管径为影响流量分配的最主要因素。

因此本文结合某海上平台管路系统，控制压力源与接口位置为5 m，支管长度为1 m，支管末端出口气压为大气压，重点研究了支管等管径条件下压力源气压、管径对接口2 和接口3 流量分配的影响。

1.1 三通接口2

本文选用管路系统设计过程中常见的三种管径（DN20、DN32、DN40），研究了不同压力源条件下接口2 的流量分配规律。图2 展示了不同管径下气源压力对垂直支管流量分配的影响。

如图2 所示，可以明显看出随着管径的增大，垂直支管流量分配比例会明显降低，当管径从40 mm降低至20 mm 时，垂直支管流量所占比例从40.0%左右降低至32.8%左右。若保持气源压力保持恒定的条件下增大管路管径，能够增大管路中气流流量，同时在一定程度上也会增加主路中气体流速，必然使得支管流量占比降低。

若保持管径不变，逐渐增大气源压力，垂直支管流量占比会呈现先增大后降低，最终保持稳定的趋势，且占比变化幅度会随着管径的增加而减弱。

1.2 四通接口3

本文同样选用DN20、DN32、DN40 三种管径研究了不同压力源条件下接口3 的流量分配规律。不同管径下气源压力对垂直支管流量分配的影响见图3 所示。

如图3 所示，在保持压强不变的前提下，管径的增加能够引起垂直支管流量比例降低，其影响权重远高于气源压力对流量分配的影响。改变气源压力(0.2→7 MPa)，垂直支管流量占比变化幅度可低于1%，而管径的变化使得垂直支管流量占比产生2%以上的改变。

与图2 相比，若保持管径和气源压力不变，垂直支管流量比例具有适当的降低，但四通接口垂直支管数目有所增加，使得下游水平主路的流量占比大幅度降低。

2 多级组合接口

在实际复杂管路系统中为多个区域体同时提供气压时，多个三通接口组合使用属于常用处理手段。本节将以图4 所示的两个三通接口组合模型，研究了组合接口对流量分配的影响。如图4 所示，在两种组合接口中，气源与第一个三通联接位置存在差异。气源与第一个接口间距保持5 m，两个三通之间间距保持1 m，各支管长度保持1 m。

2.1 组合接口1

本节同样选用DN20、DN32、DN40 三种管径研究了不同压力源条件下组合接口1 的流量分配规律。不同管径下气源压力对垂直支管流量分配的影响见图5所示。

与图2、图3 相比，管径、气源压力对两个接口处流量分配的影响规律均相近。如图5(a)所示，在保持压强和管径相同的前提下，组合接口中第一个接口处垂直支管流量占比会存在一定的降低。

如若以图5(a)和图2 的流量占比的相对值用于表征第一个垂直支管出流量占比的减幅，则减幅程度见图6 所示。

如图6(a)所示，随着管径的增加，第一个接口垂直支管流量分配减幅大幅度降低，管径从20 mm 增加至40 mm 时，平均流量占比减幅从22.8%降低至14.7%左右。但与管径变化相比，气源压力的改变对流量占比减幅影响权重较弱。如图6(b)所示，第二个三通处垂直支管的流量占比几乎无影响，减幅低于2.5%。而且管径、压强对其影响均较弱。

因此，当管路系统中同时使用多个三通接口时，下游接口的连接能够改变上游接口处垂直支管的流量占比，但自身的流量分配规律几乎保持不变，其中管径对上游接口处流量分配的影响权重明显高于气源压强。根据本文的组合接口模型，组合接口的使用，能够使得上游接口处垂直支管流量占比降低15%～22%。

2.2 组合接口2

本节同样选用DN20、DN32、DN40 三种管径研究了不同压力源条件下组合接口2 的流量分配规律。不同管径下气源压力对垂直支管流量分配的影响见图7所示。

由于气源与第一个三通位置关系可知，一般情况下下游两支管可以近似平均分配主管流量，占比近似均为50%。但由于下游第二个三通的引入，导致了第一个三通处流量分配发生了变化。

如图7(a)所示，第一处垂直支管的流量占比减幅程度随着气源压力的增加而逐渐降低直至达到稳定，随着管径的增加呈现增大的趋势。如图7(b)所示，改变气源压力和管径，使得第二处垂直支管流量占比减幅均低于4%，因此接口的组合使用对末游接口处流量分配影响较弱，可以适当降低上游垂直支管。

对比图7(a)与图6(a)可知，下游接口的增加对组合接口2 第一个三通处垂直支管的流量影响更小，特别是当气源压力逐步增加后。对比图7(b)与图6(b)可知，两者变化趋势较为接近，因此末游接口流量分配受组合接口的影响较弱，均符合单个三通接口流量分配的规律。

3 结论

本文针对管路系统中常见的三通、四通接头的流量分配问题，从气源压力、管径及接口组合形式等方面展开了深入研究，研究结果表明：

（1） 管路三通/四通接口处流量分配对管径更为敏感，气源压力对其影响较弱。下游接口的使用能够在一定程度上增强该支路上流量占比，而对自身流量分配影响较弱，近似遵循独立接口的流量分配规律。

（2） 三通、四通及组合接口流量分配规律的研究，能够为复杂的多区域、多进口系统提供更准确的管路系统设计思路，有效降低区域压差，进一步提高系统均压的工作效率，增强了系统运行的可靠性。