循環(huán)水槽隔板設(shè)計(jì)與水槽傾斜研究

李金成 陳作鋼 徐 力 橋詰泰久

1上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240 2西日本流體技研株式會(huì)社，日本 長(zhǎng)崎8570401

循環(huán)水槽隔板設(shè)計(jì)與水槽傾斜研究

李金成1陳作鋼1徐 力1橋詰泰久2

1上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240 2西日本流體技研株式會(huì)社，日本 長(zhǎng)崎8570401

循環(huán)水槽同傳統(tǒng)拖曳水池相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而日益廣泛地應(yīng)用于船型開(kāi)發(fā)和船舶水動(dòng)力性能研究。在水槽中設(shè)置隔板可以模擬海洋中的分層流，但隔板的遲滯作用必然會(huì)對(duì)循環(huán)水槽計(jì)測(cè)部流場(chǎng)品質(zhì)造成一定的影響。為了研究這一設(shè)想對(duì)流場(chǎng)的影響，數(shù)值模擬循環(huán)水槽在無(wú)隔板、整段隔板以及分段隔板情況下的流動(dòng)情況。對(duì)比結(jié)果表明，采用分段隔板形式較為理想。另一方面，循環(huán)水槽作為一種基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，對(duì)其計(jì)測(cè)部的水平度有著嚴(yán)格要求，探討安裝中的誤差或投入使用后地基沉降引起的水槽傾斜對(duì)計(jì)測(cè)部流動(dòng)帶來(lái)的影響?；赩OF模型，模擬水平及各傾角二維條件下循環(huán)水槽計(jì)測(cè)部的流動(dòng)情況，結(jié)果表明，較大傾角時(shí)，計(jì)測(cè)部波面變化較大，且計(jì)測(cè)部末端有氣泡產(chǎn)生，而在微小傾角時(shí)，波面變化不明顯。

循環(huán)水槽；數(shù)值模擬；隔板；傾斜

1 引言

拖曳水池是進(jìn)行船舶性能研究實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)施，其在船舶設(shè)計(jì)與研究的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。然而由于軌道長(zhǎng)度的制約，拖曳水池在試驗(yàn)觀察時(shí)間上受到一定限制，而循環(huán)水槽很好地彌補(bǔ)了這一不足，在前沿探索性基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用［1－2］。

循環(huán)水槽可以分為水平式循環(huán)水槽和直立式循環(huán)水槽，其中直立式循環(huán)水槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。其水流由水泵葉輪推動(dòng)，流經(jīng)擴(kuò)張段后進(jìn)入到第三拐角，為了減少流動(dòng)的分離，在4個(gè)拐角處都設(shè)置了圓弧型的導(dǎo)流片。水流流過(guò)第四拐角后會(huì)依次流經(jīng)蜂窩器、多孔板、阻尼網(wǎng)、管嘴收縮段，然后進(jìn)入計(jì)測(cè)部，最后流經(jīng)第一拐角和第二拐角完成一周循環(huán)。在計(jì)測(cè)部可進(jìn)行船模的阻力、斜航、自航、PMM等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)計(jì)測(cè)部的透明窗口直觀地觀察流動(dòng)情況，同時(shí)在計(jì)測(cè)部還安裝有各種測(cè)量?jī)x器，能夠準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 循環(huán)水槽簡(jiǎn)圖（2－D）Fig.1 Schematic diagram of CWC（2－D）

在過(guò)去，循環(huán)水槽的設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式［3-4］。美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)家都建立起了循環(huán)水槽來(lái)服務(wù)于船舶、漁業(yè)和競(jìng)技訓(xùn)練等方面，其中以日本擁有的數(shù)量最多。在國(guó)內(nèi)也有一些高校和研究機(jī)構(gòu)建立了各自的循環(huán)水槽。近幾年，隨著計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)步以及高性能計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)以其成本低、速度快、精細(xì)捕捉流場(chǎng)特性等一系列優(yōu)點(diǎn)，也被用于循環(huán)水槽的開(kāi)發(fā)中［5－6］。

上海交通大學(xué)擬建的風(fēng)洞循環(huán)水槽主要由低速風(fēng)洞和循環(huán)水槽兩部分組成，二者聯(lián)合作用能夠模擬船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在風(fēng)、浪、流以及分層流等復(fù)雜條件下的流體水動(dòng)力性能［6］。其具有能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、多目標(biāo)和自動(dòng)化的測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)的可視化并能研究復(fù)雜工況下的船舶流體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，這些都是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置無(wú)法比擬的。

在循環(huán)水槽中進(jìn)行分層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要設(shè)置隔板將普通循環(huán)水槽分割成內(nèi)外基本相同的兩部分來(lái)形成分層流，陳作鋼等［6］已通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該設(shè)想的有效性和適用范圍。本文考慮隔板的遲滯作用對(duì)計(jì)測(cè)部來(lái)流均一性的影響，基于計(jì)算流體力學(xué)通用計(jì)算軟件Fluent，分別研究了無(wú)隔板、分段隔板、整段隔板下計(jì)測(cè)部流場(chǎng)，以期對(duì)循環(huán)水槽中隔板的設(shè)計(jì)提供參考。

循環(huán)水槽作為一種精密的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)計(jì)測(cè)部的水平度有著嚴(yán)格要求。在循環(huán)水槽安裝過(guò)程中，可能會(huì)由于制造或者安裝中的誤差導(dǎo)致水槽不水平，同時(shí)在循環(huán)水槽建成使用過(guò)程中，由于建筑地基等因素，循環(huán)水槽會(huì)產(chǎn)生沉降，如果沉降非均勻，水槽會(huì)發(fā)生傾斜。本文研究了循環(huán)水槽由于建造或者安裝誤差以及地基的不均勻沉降導(dǎo)致的傾斜對(duì)其計(jì)測(cè)部流場(chǎng)產(chǎn)生的不利影響，以期對(duì)此進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

2 分層流數(shù)值研究

2.1 模型說(shuō)明

在循環(huán)水槽中進(jìn)行分層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要設(shè)置隔板來(lái)形成分層流，而在不需要分層流的實(shí)驗(yàn)中，隔板的存在會(huì)破壞來(lái)流的均一性。因此擬將隔板設(shè)計(jì)為分段式，當(dāng)不需要形成分層流時(shí)，可拆卸掉部分隔板以減小影響。

我們模擬了三種形式的隔板對(duì)計(jì)測(cè)部流場(chǎng)的影響。在整段隔板算例中，從入口處設(shè)置隔板，將水槽分成內(nèi)外基本相等的兩部分，隔板一直延伸至計(jì)測(cè)部前端；分段隔板算例中隔板從入口處開(kāi)始，延伸至蜂窩器處。無(wú)隔板算例中沒(méi)有設(shè)置隔板，如圖2所示。

圖2 三種隔板形式及計(jì)算區(qū)域簡(jiǎn)圖Fig.2 Three types of separator and schematic diagram of computational domain

計(jì)算模型為二維，計(jì)算區(qū)域中僅包含了第三拐角、第四拐角、管嘴收縮段以及計(jì)測(cè)部，其中在第三、第四拐角處包含有導(dǎo)流片，管嘴收縮段前方設(shè)置有簡(jiǎn)化的蜂窩器。水流從下方入口流入，依次流經(jīng)第三拐角、第四拐角、管嘴收縮段和計(jì)測(cè)部，最后從計(jì)測(cè)部末端出口流出。

本文中采用計(jì)算流體力學(xué)通用軟件Fluent6.3進(jìn)行循環(huán)水槽內(nèi)的流場(chǎng)模擬，即用有限體積法求解RANS方程，采用了標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模式，對(duì)近壁流動(dòng)采用了標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。計(jì)測(cè)部的自由液面采用滑移面作了簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)流片和蜂窩器均為無(wú)滑移壁面條件。Simple法［7］被用于速度與壓力之間的耦合。動(dòng)量方程和k－ε方程均選取二階上風(fēng)格式。

本算例中，入口處截面的高度為3.2 m，第三拐角和第四拐角處導(dǎo)流片半徑均為0.5 m，計(jì)測(cè)部的大小為：8.0 m×1.6 m（長(zhǎng)×高）。入口條件為：入口速度（velocity－inlet），入口流速1.0 m／s；出口處條件為出口壓力（pressure－outlet）。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算，我們得到了三種情況下的計(jì)測(cè)部入口下游1 m、2 m和3 m處截面上的流速分布，詳見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)測(cè)部不同位置截面上水流速度分布圖Fig.3 Velocity distributions on three cross sections at the test section of CWC

通過(guò)圖3可以觀察到：在沒(méi)有隔板的情況下，除了在底壁附近和自由面附近流速較低外，中間流速較為均一。安置了隔板以后，在隔板處（H＝0.8 m）流速較低，這是由于隔板的遲滯作用造成的。在分段隔板的算例中，我們觀察到在隔板處流速有一些變化，但是并不很明顯。因此相比于整段隔板形式，采用分段隔板的形式可以使計(jì)測(cè)部流動(dòng)更為均勻。

船舶實(shí)驗(yàn)中船模的吃水遠(yuǎn)小于計(jì)測(cè)部的深度，所以我們更關(guān)心的是船模實(shí)驗(yàn)區(qū)域的流場(chǎng)情況，故重點(diǎn)考察了計(jì)測(cè)部上半?yún)^(qū)域 （H＝0.8～1.4 m）的流場(chǎng)，但是在自由表面處流速均較低，實(shí)際水槽中可以通過(guò)在計(jì)測(cè)部入口上游設(shè)置表面流加速裝置來(lái)彌補(bǔ)，而本計(jì)算中沒(méi)有涉及，導(dǎo)致了這一結(jié)果，故1.4～1.6 m的區(qū)域沒(méi)有納入考察范圍。

從圖4中明顯觀察到，整段隔板的算例中，速度均方差最大，即這種形式下，速度的均一性最差。無(wú)隔板形式下，速度的均一性最好，分段隔板形式居中，且在計(jì)測(cè)部入口下游3 m處，無(wú)隔板和分段隔板的速度均方差相差不大。因此，可將隔板設(shè)計(jì)為分段式，一方面它能夠模擬分層流，另一方面在不需要模擬分層流時(shí)，不會(huì)對(duì)計(jì)測(cè)部的流場(chǎng)均一性產(chǎn)生大的影響。

圖4 三種隔板形式下不同位置速度均方差（H＝0.8～1.4 m）Fig.4 Speed standard deviations on three cross sections at the test section of CWC

3 傾斜對(duì)循環(huán)水槽計(jì)測(cè)部流動(dòng)的影響

3.1 模型說(shuō)明

循環(huán)水槽作為一種精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，對(duì)計(jì)測(cè)部的水平度有著很高要求。如果水槽發(fā)生了傾斜，計(jì)測(cè)部的流動(dòng)可能會(huì)有較大的改變，這對(duì)船模實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將產(chǎn)生不良影響。在循環(huán)水槽的建造以及安裝過(guò)程中，安裝誤差在所難免，水槽可能會(huì)有一定的傾斜角，而且在水槽投入使用后，由于地基的不均勻沉降，水槽也會(huì)有一定的傾角，本節(jié)模擬了水槽不同傾角下計(jì)測(cè)部的流動(dòng)情況，以期對(duì)不利情況預(yù)定對(duì)策。

為了提高計(jì)算效率，忽略了三維效應(yīng)，采用了二維計(jì)算，并略去了其余3個(gè)拐角，僅保留第一拐角并作適當(dāng)延伸。計(jì)算區(qū)域主要包括管嘴收縮段、計(jì)測(cè)部、第一轉(zhuǎn)角以及導(dǎo)流片，如圖5所示。為了模擬計(jì)測(cè)部自由面，在計(jì)測(cè)部上方添加了一個(gè)空氣區(qū)域，該區(qū)域兩側(cè)為壁面條件，上方為壓力出口條件。同時(shí)，第一拐角處要高于計(jì)測(cè)部水面高度，故在此處有一負(fù)壓區(qū)，來(lái)保證拐角處充滿水，具體數(shù)值由第一拐角處水位與計(jì)測(cè)部自由面水位壓力差值計(jì)算得到。入口選在管嘴收縮段的左側(cè)，入口速度為1.0 m／s，出口位于第一拐角的后方，為保證流量守恒及空氣不從下游流出，出口處采用了負(fù)流入的特殊形式，即采用速度入口條件，速度大小為1.778 m／s。

此節(jié)計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模式封閉方程，標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)簡(jiǎn)化處理近壁流動(dòng)。非定常的VOF法［8］被用于模擬自由表面。計(jì)算中采用Presto法進(jìn)行壓力插值，Simple法被用于速度和壓力間的耦合計(jì)算。用顯式CICSAM格式［9］求解VOF方程，對(duì)動(dòng)量方程采用三階MUSCL格式［10］，對(duì)k和ε方程采用二階迎風(fēng)格式。

圖5 計(jì)算域示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational domain

3.2 大傾角下水槽計(jì)測(cè)部流場(chǎng)模擬

水槽在建造或者安裝過(guò)程中可能存在安裝誤差，這會(huì)導(dǎo)致水槽有一定的傾角，此處我們模擬了水槽在較大傾角（±1°）時(shí)計(jì)測(cè)部的流動(dòng)情況，并與水槽水平時(shí)計(jì)測(cè)部的流場(chǎng)作對(duì)比。圖6中為3種情況下計(jì)測(cè)部流場(chǎng)某瞬時(shí)的流動(dòng)情況，文中水槽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)記為正，反之為負(fù)。

圖6 較大傾角下計(jì)測(cè)部流動(dòng)情況Fig.6 Flow at the test section of CWC with large inclinations

從上圖中可以觀察到：同水槽在水平時(shí)的計(jì)測(cè)部波面相比，水槽在大傾角（±1°）下波面變化較大。其中水槽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1°時(shí)，波浪幅值相對(duì)較大，同時(shí)在計(jì)測(cè)部的末端有氣泡產(chǎn)生，并混入水流進(jìn)入第一拐角，這將對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)造成嚴(yán)重影響，如果氣泡循環(huán)后流入到計(jì)測(cè)部，會(huì)影響到實(shí)際觀測(cè)效果；水槽順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1°時(shí)，波幅較大，在計(jì)測(cè)部末端有一個(gè)明顯的波峰。故大角度傾斜將對(duì)循環(huán)水槽的流場(chǎng)以及觀測(cè)造成很大影響。在建造和安裝的過(guò)程中，應(yīng)確保水槽水平。

3.3 小傾角下水槽計(jì)測(cè)部流場(chǎng)模擬

即使在建造安裝過(guò)程中水槽完全水平，但是水槽建造安裝完成一段時(shí)間后由于地基沉降，尤其是不均勻沉降必將產(chǎn)生水槽傾斜。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果推算，在夯實(shí)地基的情況下循環(huán)水槽的傾斜度不會(huì)超過(guò)±0.1°。因而本節(jié)中主要研究了水槽在水平、傾斜±0.1°下的計(jì)測(cè)部流動(dòng)情況，最后對(duì)比各種情況下計(jì)測(cè)部的流動(dòng)情況，研究水槽在傾斜后其計(jì)測(cè)部自由面的變化情況，詳見(jiàn)圖7。

圖7 較小傾角下計(jì)測(cè)部流動(dòng)情況Fig.7 Flow at the test section of CWC with small inclinations

從圖中可以觀察到：同水槽在水平時(shí)的計(jì)測(cè)部波面相比，水槽在小角度（±0.1°）傾斜時(shí)，很難直觀地觀察到計(jì)測(cè)部流場(chǎng)的變化。為了研究小角度（±0.1°）傾斜對(duì)循環(huán)水槽流場(chǎng)的影響，現(xiàn)考慮通過(guò)監(jiān)測(cè)計(jì)測(cè)部末端的頂板（圖5）的壓力變化來(lái)表征計(jì)測(cè)部的波浪變化。因?yàn)殡S著計(jì)測(cè)部的波面變化，頂板的壓力值也會(huì)隨之變化，二者在時(shí)域上的變化是相同的，因此可以通過(guò)壓力的變化來(lái)表征計(jì)測(cè)部的流動(dòng)在時(shí)域上的變化。

通過(guò)計(jì)算，得出了水平以及小角度傾斜下頂板壓力隨時(shí)間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 不同傾角下頂板壓力積分隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curves of pressure integral on ceiling changing with time at various inclinations

從上圖中可以觀察到，壓力平均值順時(shí)針傾斜0.1°時(shí)最大，逆時(shí)針傾斜0.1°時(shí)最小，水平居中。當(dāng)水槽順時(shí)針傾斜時(shí)，頂板處的浸深會(huì)增大，這就造成了平均壓力的升高，反之平均壓力則減小，此結(jié)論對(duì)水槽頂板處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核具有一定的參考價(jià)值。另外，從圖中可以觀察到，壓力變化隨時(shí)間呈一定的周期性變化，這是由于計(jì)測(cè)部波浪的變化造成的，由此能夠大致推斷出自由面上的波浪周期。同時(shí)，在順時(shí)針傾斜0.1°算例中，壓力變化幅度較小，且周期較為均勻，這是由于頂板浸深較大，自由面波動(dòng)影響較小造成的。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值計(jì)算研究了循環(huán)水槽分層流及傾斜對(duì)水槽計(jì)測(cè)部流場(chǎng)的影響，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了處理和比較，以期對(duì)循環(huán)水槽的開(kāi)發(fā)和建造提供參考。研究得出的結(jié)論及建議如下：

1）同無(wú)隔板時(shí)相比，加入隔板后，隔板遲滯作用會(huì)使隔板附近流速減小，整段隔板情形尤為明顯。

2）在船模實(shí)驗(yàn)區(qū)域，分段隔板和無(wú)隔板時(shí)速度均方差相近，能滿足船模實(shí)驗(yàn)要求，而整段隔板較差。故隔板設(shè)計(jì)為分段式最佳。

3）循環(huán)水槽在較大傾角（±1°）狀態(tài)時(shí)，計(jì)測(cè)部波面變化較大，不利于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，且會(huì)有氣泡產(chǎn)生，對(duì)精度和觀測(cè)產(chǎn)生較大影響，因此在安裝時(shí)應(yīng)確保水槽水平。

4）循環(huán)水槽在較小傾角（±0.1°）狀態(tài)時(shí)，計(jì)測(cè)部波面變化不明顯，波浪呈現(xiàn)一定的周期性，但順時(shí)針傾斜時(shí)計(jì)測(cè)部末端頂板壓力較大。

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Design of Separators in Circulating Water Channel and Research on Inclination Effect

Li Jin－cheng1Chen Zuo－gang1Xu Li1Hashizume Yasuhisa2
1 School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China 2 West Japan Fluid Engineering Laboratory Co Ltd.，Nagasaki 8570401，Japan

Compared with conventional towing tank，Circulating Water Channel（CWC）has many advantages.It is being widely used in developing ship hull form and on research of hydrodynamic performance of ships.The CWC adopts separators to simulate multi－layer flow in the oceanic environment.However，they may destroy the flow uniformity at the test section in some degree because of the retardation.The CWC in the cases of no separator，integrated separator and piecewise separator were simulated and results show piecewise separator is optimal.On the other hand，high standards of horizontality are required as a basic laboratory facilities.But the inclination caused by installation error and uneven sedimentation would ruin the high quality of the flow field at the test section.CWCs at large angles were simulated and the results show that wave patterns changes a lot and air bubbles will ruin the experiments.However，changes are not significant at very small angles of inclination.The present numerical results provide some recommendations to the design of CWC.

circulating water channel；numerical simulation；separator；inclination

U661.74

：A

：1673－3185（2011）04－78－05

2010-12-09

上海交通大學(xué)985二期能力建設(shè)項(xiàng)目“風(fēng)洞循環(huán)水槽”

李金成（1987－），男，碩士研究生。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)。E-mail：bigboy315＠sjtu.edu.cn

陳作鋼（1967－），男，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)、風(fēng)洞循環(huán)水槽研發(fā)。E-mail：zgchen＠sjtu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.017