一種深水池進水口的整流方法

徐永春，陳建輝，黃書杭，徐 劍，潘欣鈺

(1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063；2.西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

目前，各類試驗水池工程的工藝和設(shè)備布置條件對造流系統(tǒng)提出越來越高的要求。在某些改造項目中，考慮到總體布置的合理性，有時深水池的進水口只能安裝在水池底部，而非一般方案中將進水口安裝在水池側(cè)面。為在水池中形成定向水流，并保持一定的均勻性，位于水池底部的進水口須使進入水池的射流具備合適的角度，同時避免進水水流過于紊亂。為達到上述進水要求，須在進水口區(qū)域設(shè)置整流措施，從而最大限度地保持進水水流的均勻性。以某深水池改造工程為例，對進水口整流方法進行計算流體力學(xué)仿真優(yōu)化。

1 優(yōu)化目的

某深水池改造工程采用矩形導(dǎo)流槽型進水口設(shè)計形式，進水口設(shè)計方案如圖1所示。詳細(xì)設(shè)計參數(shù)為：進水口開20條導(dǎo)流槽，槽口寬50 mm，導(dǎo)流槽與假底夾角為75°，導(dǎo)流槽中心距為150 mm。導(dǎo)流槽從最左端開始編號，最左端記為1號，最右端記為20號。目前，該方案已初步達到改造工程對造流系統(tǒng)的要求，CFD數(shù)值模擬顯示理論上能夠在深水池目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)形成穩(wěn)定、均勻流場。

圖1 某深水池改造工程的進水口設(shè)計方案

CFD數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，經(jīng)過該進水口流入深水池的水雖能按照較為理想的方向造流，但是在深水池進水口斷面的出流速度較紊亂。各導(dǎo)流槽在假底表面的配水速度如圖2所示。

圖2 某深水池進水口出流斷面各導(dǎo)流槽出流速度

導(dǎo)流槽出流速度的整體趨勢為從1號到20號逐漸下降，下降的斜率依次增大，且在下降過程中速度有所波動。對該深水池進水口增加整流措施，可優(yōu)化深水池進水口設(shè)計，提高目標(biāo)區(qū)域的流場均勻度。

2 優(yōu)化方法

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖3所示，分為分析深水池進水口的理想配水方式、得出整流目標(biāo)、設(shè)計整流措施以及驗證和評價整流效果。

圖3 深水池進水口整流方法研究技術(shù)路線圖

2.2 數(shù)值模擬試驗方法

以CFD軟件為工具，對深水池整體流場進行計算[1]，采用的邊界條件和參數(shù)設(shè)定如下：

(1)模擬分析采用二維計算域簡化計算；

(2)模擬對象為一個造流單元沿長度、深度方向的截面；

(3)最大網(wǎng)格為0.5 m；

(4)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；

(5)邊界條件除進出口外，統(tǒng)一設(shè)為壁面，其中頂部壁面設(shè)為無剪切阻力；

(6)進水口邊界條件設(shè)為速度入口，速度為0.4 m/s，出口邊界條件設(shè)為自由出流。

2.3 數(shù)值模擬試驗結(jié)果評價和取值

增加整流措施的目的是提高目標(biāo)區(qū)域的流場均勻度。為評價深水池進水口各導(dǎo)流槽出流速度對目標(biāo)區(qū)域流場均勻度的影響，擬在目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)取若干點，監(jiān)測每個點的流速并繪制流速變化曲線，定性描述目標(biāo)區(qū)域的流場均勻度，用縱向速度梯度和橫向速度梯度兩個指標(biāo)定量描述目標(biāo)區(qū)域的流場均勻度。

上述定量指標(biāo)選取的目標(biāo)區(qū)域為長方形：長為30 m，從水池中心向左面和右面各取15 m；深為1 m，從距離水面0.05 m到水下1.05 m。取點方法如圖4所示，將目標(biāo)區(qū)域在長度方向和高度方向均分為30個和2個小格，每個小格長1 m、高0.5 m，各交點即為取值點。目標(biāo)區(qū)域沿長度方向即x軸取31條等分線，第16條線為深水池中心線并記為x=0，左為負(fù)向，右為正向，x變化范圍為-15 m～15 m；目標(biāo)區(qū)域沿深度方向即y軸取3條等分線，為防止表層流形成波浪的影響，y軸各線同步下移0.05 m，從上往下分別記為y=-0.05 m、y=-0.55 m、y=-1.05 m。

圖4 目標(biāo)區(qū)域取點方法

3 深水池進水口整流設(shè)計

3.1 整流目標(biāo)

設(shè)計3種理想的深水池進水口出流方案，詳細(xì)參數(shù)如表1所示，討論深水池進水口導(dǎo)流槽配水方式對目標(biāo)區(qū)域流場均勻度的影響。目標(biāo)區(qū)域流場均勻度采用縱向均勻度和橫向均勻度兩個評價指標(biāo)。縱向均勻度是指深水池同一斷面(x軸)上不同深度的速度變化程度，橫向均勻度是指深水池同一水深(y軸)上不同斷面的速度變化程度?？v向均勻度和橫向均勻度計算式為

(1)

(2)

表1 3種理想的深水池進水口出流方案

根據(jù)圖4所示取點方法，對CFD數(shù)值模擬試驗結(jié)果的目標(biāo)區(qū)域流速分布進行監(jiān)測，整理數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(見表2)并繪制圖5。由圖5可知，方案1流速分層最明顯，方案3流速分層接近方案1且較明顯，方案2的流速最紊亂。由表2可知：方案1橫向均勻度較好；方案2縱向均勻度較好；方案3的橫向均勻度接近方案1且明顯優(yōu)于方案2，同時縱向均勻度接近方案2且明顯優(yōu)于方案1。綜合來看方案3為最優(yōu)出流方式，即進水口整流措施的目標(biāo)是讓每個深水池進水口的導(dǎo)流槽出流流速相等。

表2 3種理想整流方案的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖5 3種理想整流方案數(shù)值模擬的各點速度

3.2 整流方法

3.2.1 整流設(shè)計方案

深水池進水口整流設(shè)計的目標(biāo)是讓20條水池進水口導(dǎo)流槽的出流流速相等。為達到這一目的，借鑒目前水池相關(guān)的一些整流方法[2-3]，采取系列整流措施。改進后的深水池進水口設(shè)計如圖6所示。

圖6 深水池進水口整流措施

主要整流措施包括：

(1)由兩塊擋板構(gòu)成收縮渠：前置擋板A1的作用是為進水管進入收縮渠的水流轉(zhuǎn)向提供良好的水力特性；后置斜板A2的作用是引導(dǎo)收縮渠內(nèi)的水流流向和靜水壓力分布，使整流板前各點布水總壓盡可能均勻。

(2)采用鋼板制作整流板，板上開若干個細(xì)槽，槽口寬度、數(shù)量及細(xì)槽排布方式根據(jù)流場的流量、槽內(nèi)流速確定。槽內(nèi)流速一般控制在2～4 m/s。整流板主要作用是在造流出水口方向上消除出水管道內(nèi)的壓力不平衡，使水流均勻地通過導(dǎo)流槽進入深水池。

(3)由鋼板焊接制作整流擋板。每隔一段間距布置一塊鋼制擋板：擋板中心須對準(zhǔn)整流板的細(xì)槽，起進一步消能及均勻布水的作用；擋板數(shù)量與整流板開槽數(shù)量相同，擋板寬度和排布方式根據(jù)消能強度確定，通常整流擋板過流流速控制在0.5～1.0 m/s；擋板還須對準(zhǔn)導(dǎo)流槽的槽口中心，使水流均勻進入各導(dǎo)流槽。

3.2.2 整流效果

經(jīng)整流后的深水池進水口各導(dǎo)流槽出流速度分布云圖如圖7所示，各導(dǎo)流槽出流速度基本均勻。導(dǎo)流槽出流速度如圖8所示，各導(dǎo)流槽出流速度整體趨勢從左往右下降，但是斜率較平緩。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，各導(dǎo)流槽出流速度的計算方差為0.035，而初始方案的計算方差為0.068，與初始情況相比，配水均勻度顯著提高。

圖7 實施整流措施的深水池進水口出流斷面速度分布云圖

圖8 增加整流措施后深水池進水口出流斷面各導(dǎo)流槽出流速度

4 結(jié) 論

利用CFD技術(shù)模擬計算可知，從假底表面出流的水池進水口最佳配水方式為各導(dǎo)流槽均勻配水，該方式在表層流場中同時具有較好的橫向均勻度和縱向均勻度。設(shè)計了一種水池進水口的整流方法，包括在進水口前設(shè)置收縮渠，增加整流板和整流擋板等。該方法使該水池進水口各導(dǎo)流槽出流流速方差從0.068降低至0.035，配水均勻度得到顯著提高。