海洋儀器設(shè)備垂直循環(huán)造流試驗(yàn)水槽系統(tǒng)設(shè)計

路 寬，王項(xiàng)南，熊 焰，李 彥，宋雨澤

（國家海洋技術(shù)中心 ，天津 300112）

海洋儀器設(shè)備垂直循環(huán)造流試驗(yàn)水槽系統(tǒng)設(shè)計

路 寬，王項(xiàng)南，熊 焰，李 彥，宋雨澤

（國家海洋技術(shù)中心 ，天津 300112）

海洋動力環(huán)境模型試驗(yàn)是海洋監(jiān)測儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置研制的重要過程和手段，是海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和海洋能開發(fā)技術(shù)研究的基礎(chǔ)。垂直循環(huán)造流水槽系統(tǒng)憑借其建設(shè)占地面積小及具有較長穩(wěn)定段等優(yōu)勢，成為海洋儀器設(shè)備模型試驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)平臺之一。文中提出了垂直循環(huán)造流水槽系統(tǒng)的整體設(shè)計流程與計算方法，并進(jìn)行了數(shù)值分析，為海洋儀器設(shè)備動力實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。

海洋儀器設(shè)備；垂直循環(huán)造流水槽；系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)值模擬

我國海洋資源豐富，開發(fā)和利用潛力巨大，在海洋開發(fā)的過程中，海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋能開發(fā)利用等高新技術(shù)的研究和發(fā)展是促進(jìn)海洋可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在海洋監(jiān)測儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電設(shè)備的研制過程中，實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)是重要的研究手段之一，通過試驗(yàn)可再現(xiàn)海洋動力環(huán)境，驗(yàn)證海洋監(jiān)測儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性，為技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)海洋高新科技研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

目前，循環(huán)試驗(yàn)水槽主要體現(xiàn)為兩種工作方式，一種為水泵驅(qū)動，另一種為電機(jī)—葉輪驅(qū)動的水平循環(huán)水槽。在高流速、大流量工況下，水泵驅(qū)動方式不僅消耗電機(jī)功率巨大而且易產(chǎn)生汽蝕，增加了試驗(yàn)成本；電機(jī)—葉輪驅(qū)動的水平循環(huán)造流方式，試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)占地面積大，因此多為小型設(shè)施，規(guī)模小意味著穩(wěn)流端短，試驗(yàn)區(qū)不容易形成穩(wěn)定的流場，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)。垂直循環(huán)造流水槽可以在高流速、大流量工況下實(shí)現(xiàn)低功耗，同時減少試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)占地面積，是一種非常具有發(fā)展前景的試驗(yàn)系統(tǒng)。

1 垂直循環(huán)造流水槽設(shè)計

垂直循環(huán)造流水槽可根據(jù)以下流程圖（圖1）進(jìn)行設(shè)計。

1.1 水槽工作段基本參數(shù)

設(shè)計垂直循環(huán)造流水槽，首先是確定工作段的設(shè)計流速。流速可根據(jù)實(shí)驗(yàn)對象的需求先確定縮尺比，再根據(jù)我國海洋實(shí)際情況，確定設(shè)計流速。設(shè)計流速確定后，就需要確定試驗(yàn)區(qū)的尺寸，為了使實(shí)驗(yàn)區(qū)有一個均勻穩(wěn)定的流場，實(shí)驗(yàn)區(qū)的長度不宜過短，其長度一般為模型長度的3倍，常用AUV模型的長度一般在2～3 m，因此實(shí)驗(yàn)段的長度取6～9 m即可。海洋儀器模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)在無邊界層影響的水流中進(jìn)行，模型寬度不得超過水槽寬度的1/5，以AUV模型為例，其直徑在0.3 m左右，因此實(shí)驗(yàn)段的寬度應(yīng)該在1.5 m以上為宜。實(shí)驗(yàn)段的高度也有一定的要求，設(shè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母邽閐，實(shí)驗(yàn)區(qū)的高應(yīng)在4 d以上為宜。

圖1 水槽的設(shè)計流程圖

1.2 水槽尺寸及基本部件布置

1.2.1 水槽長度的確定

水槽工作段確定以后，就可以根據(jù)水槽的功能確定整體尺寸。對于只具有造流功能的水槽，不要求很長，因?yàn)榱黧w在經(jīng)過整流段之后，流體的湍流度就基本滿足要求了。但是目前的水槽多為波流混合水槽，根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，造波板距模型的距離應(yīng)該保持在7倍波長以上。

1.2.2 整流與導(dǎo)流裝置的布置

水槽一般裝有整流格和阻尼網(wǎng)，它的功能是將來流進(jìn)行調(diào)整，大渦旋通過整流格切割成小渦旋，又將橫向流動的水流導(dǎo)直。阻尼網(wǎng)作用是為了降低流體的湍流度。資料表明，西方一些國家的水槽整流段與工作段的長度比為1∶1，有的甚至超過了工作段長度，整流的效果很好，如英國的NPL水槽的整流段就大于工作段，流體的流場均勻穩(wěn)定，湍流度只有0.5%，而日本的一些水槽由于整流段比較短，流場的湍流度相對高一些，達(dá)到了2%左右。因此整流段應(yīng)盡量長一些。在水槽的轉(zhuǎn)角處應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流片，且導(dǎo)流片的布置應(yīng)該科學(xué)，避免水流的分離。

1.2.3 消波裝置的布置

水流的運(yùn)動，會使自由表面產(chǎn)生波浪，特別是流速超過1 m/s時，水面就會產(chǎn)生明顯的波動，對實(shí)驗(yàn)造成很大的影響。為了避免這種表面興波，要滿足弗汝德數(shù)小于0.55，同時，需采用被動消波的方法，即在水槽的末端安裝消波板，消波板的角度最好可以調(diào)節(jié)，且板上需要布置格柵，以最大程度地消除波浪的影響。對于具有造波功能的水槽，可同時采用主動消波的方法，來消除二次反射波的影響。

1.3 水槽能量損失計算

由于流體粘性的影響，流體在流動時會產(chǎn)生阻力，克服阻力就要消耗一部分機(jī)械能，造成能量損失。單位重量液體的能量損失稱為水頭損失。水頭損失的正確計算，在工程上是一個極為重要的問題，直接影響到動力設(shè)備容量的確定。流體流動時，由于外部條件不同，其水頭損失通常分為沿程水頭損失與局部水頭損失，即：

（1）沿程水頭損失

液體流動時，由于克服摩擦阻力做功消耗能量，成為沿程阻力。單位重量液體克服沿程阻力而損失的水頭成為沿程水頭損失。沿程水頭損失是隨著流程的長度而增加，在較長的管道中是以沿程水頭損失為主的流動。根據(jù)水力學(xué)，可知均勻流沿程水頭損失的計算公式如下：

式中：λ為沿程水頭損失系數(shù)，根據(jù)流態(tài)不同λ值也不同，其計算方法可參考水力計算手冊；l為流程長度；R為水

力半徑；V為斷面平均流速。

（2）局部水頭損失

式中：ζ為局部水頭損失，它與形體周界變化和水流的流態(tài)有關(guān)，常見的管路局部損失系數(shù)值可參考相關(guān)資料。

1.4 驅(qū)動電機(jī)與減速機(jī)的選型

根據(jù)水槽的總水頭損失，采用下式計算工作段功率：

式中：P為功率；Q為工作段流量；H為總水頭（mm）；γ為水比重。

減速機(jī)的選型應(yīng)滿足葉片扭矩的要求，首先計算水槽螺旋槳的推力與扭矩，再選擇滿足扭矩與縮比要求的減速機(jī)。

1.5 葉片性能計算與校驗(yàn)

驅(qū)動水流的軸流泵是水槽造流技術(shù)的關(guān)鍵，因軸流泵工作條件是揚(yáng)程小，流量大，比轉(zhuǎn)數(shù)高達(dá)3 000以上，而軸流泵的定型產(chǎn)品中比轉(zhuǎn)數(shù)只有1 000左右，如果在循環(huán)水槽中使用這樣的軸流泵，會產(chǎn)生汽蝕，嚴(yán)重影響工作效率。因此，為了滿足比轉(zhuǎn)速的要求，一般采用導(dǎo)管螺旋槳做軸流泵葉片。

（1）流體流速

根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)方程：

式中：Q為流體流量；ρ為流體密度；V為流體流速（1，2表示不同截面處的流體）。對于不可壓縮和均勻介質(zhì)流體，各截面上流體密度相等，因此得不可壓縮均勻介質(zhì)流體連續(xù)性方程為：

（2）螺旋槳推力與扭矩的估算公式

螺旋槳推力：

式中：η為軸系效率，取 0.846；Ne為電機(jī)功率（kW）；V2為螺旋槳進(jìn)速。

螺旋槳扭矩：

（3）螺旋槳空泡校核

用導(dǎo)管螺旋槳空泡實(shí)驗(yàn)所得公式，應(yīng)滿足：

式中：AD/A0為展開面積比；D為螺旋槳直徑；PD為螺旋槳收到的功率；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；P0為螺旋槳沉沒處壓強(qiáng)；PV為氣化壓強(qiáng)，取1.705 kPa；R為螺旋槳半徑；γ為淡水重度，取 9.8×103N/m3。

（4）螺旋槳強(qiáng)度校核

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，普通螺旋槳厚度不得小于：

式中：K為材料系數(shù)；Y，C按下式計算：

式中：t為 0.25R、0.6R 處槳葉厚度（cm)；Z 為葉數(shù)；b為弦長；N 為轉(zhuǎn)速（r/m）；γP為材料重度（g/cm3）；A 為盤面比；θ為縱斜角（°）；P為螺距（m）。

水槽結(jié)構(gòu)計算主要包括水槽部件壁厚計算、加強(qiáng)筋的設(shè)置、玻璃結(jié)構(gòu)計算以及水槽固有頻率計算，這些可參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，這里就不再介紹。

2 實(shí)例計算

以海洋監(jiān)測設(shè)備動力環(huán)境試驗(yàn)水槽為例進(jìn)行計算，該水槽為風(fēng)、浪、流共存的多功能實(shí)驗(yàn)水槽。海洋能室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的縮尺比一般為1∶10，根據(jù)重力相似理論，試驗(yàn)水槽的流速比尺為1：，再根據(jù)對我國海域?qū)嶋H流速調(diào)查的結(jié)果分析，確定將4 m/s作為實(shí)際海洋環(huán)境指標(biāo)，根據(jù)縮尺比，因此設(shè)計流速取1.5 m/s。類似的，根據(jù)前一節(jié)的設(shè)計流程對水槽的其它具體參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，如表1。

水槽基本結(jié)構(gòu)如圖2。

2.1 水槽能量損失計算

根據(jù)式（2）和式（3）計算得到水槽能量損失結(jié)果如表2。

圖2 水槽基本結(jié)構(gòu)

表1 水槽的具體參數(shù)

表2 水槽能量損失

2.2 驅(qū)動電機(jī)的選型

經(jīng)計算，本水槽工作段的最大流量為2.88 m3/s，根據(jù)流速為1.5m/s時候的總水頭損失0.351 593 m，壓力損失為2.815m?？紤]到驅(qū)動系統(tǒng)的水頭必須大于總水頭損失，為安全考慮，取水頭損失的1.5～2.0倍，可以得到電機(jī)功率約為135 kW。

2.3 葉片性能計算與校驗(yàn)

（1）螺旋槳進(jìn)速

水槽工作寬度為1.6 m，最大工作水深為1.2 m，最大流速1.5 m/s，螺旋槳直徑1.5 m，計算螺旋槳進(jìn)速如下：

（2）螺旋槳推力與扭矩：

（3）螺旋槳空泡校核：

（4）螺旋槳強(qiáng)度校核

0.25 R處：

0.6 R處：

2.4 水槽造流數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬的方法對設(shè)計的水槽進(jìn)行驗(yàn)證，計算采用通用CFD軟件Fluent進(jìn)行，采用非定常分離隱式求解器、VOF方法、RNGk-ε湍流模型，控制方程采用中心差分格式離散，壓力方程采用Body Force Weighted格式，動量、湍動能、湍動耗散率采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方式采用PISO方法，結(jié)果如圖3所示。

循環(huán)水槽的葉片安裝在下端左側(cè)，這是因?yàn)橄露吮容^長的廊道可起到整流作用，根據(jù)模擬結(jié)果可知，試驗(yàn)區(qū)流速可達(dá)到1.5 m/s以上，且流場穩(wěn)定，該水槽的設(shè)計可滿足試驗(yàn)需要。

圖3 水槽造流數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)語

本文介紹了設(shè)計適用于海洋儀器設(shè)備垂直循環(huán)試驗(yàn)水槽的流程與方法，并研究了確定水槽相關(guān)參數(shù)的方法，并針對海洋監(jiān)測設(shè)備動力環(huán)境多功能試驗(yàn)水槽進(jìn)行了具體設(shè)計，最后通過Fluent模擬結(jié)果顯示，試驗(yàn)段流速穩(wěn)定，可為各類海洋儀器設(shè)備模型試驗(yàn)提供較為理想的流體環(huán)境。

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The System Design of Vertical Circulating Water Flume for Marine Instruments and Equipments

LU Kuan,WANG Xiang-nan,XIONG Yan,LI Yan,SONG Yu-ze
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Marine dynamic environment experiment simulation is the basis of marine environment monitoring technology and marine energy development technology research.Its purpose is to provide simulation experiment environment for research and testing of marine instruments and equipments.Vertical circulating water flume is extensively applied as it can save more space and have a longer stable flow zone for obtaining the ideal experiment environment.The technological process and method of the whole design of vertical circulating water flume was presented,which provides the technical basis for marine monitoring dynamic environment experiment platform.

marine instruments and equipments;vertical circulating water flume;system design;numerical simulation

P716

B

1003-2029（2012）04-0005-05

2012-04-28

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201005027）

路寬（1982-），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測動力環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M。