大型船塢排水系統(tǒng)物理模型試驗(yàn)及分析

鞏明鑫 霍夢(mèng)佳 王國(guó)亮

摘 要：根據(jù)相關(guān)理論分析成果，借助于大學(xué)科研平臺(tái)建立了船塢排水系統(tǒng)的物理模型，針對(duì)不同工況進(jìn)行了多種模型試驗(yàn)，得到了船塢、泵房、流道及泵管中的流型分布，分析了各工況下的排水系統(tǒng)水力性能，結(jié)果表明防渦流裝置可以有效避免渦流的產(chǎn)生，干船塢泵房的設(shè)計(jì)滿足相關(guān)水力要求。本文研究思路及試驗(yàn)方法對(duì)國(guó)內(nèi)外的工程有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：物理模型試驗(yàn);泵房;船塢;渦流

沙特國(guó)王港項(xiàng)目是在建的世界上規(guī)模最大的“超級(jí)船廠”，項(xiàng)目將新建三座大型船塢。其中2號(hào)干船塢基本尺寸為：塢長(zhǎng)374m，塢寬90m，塢底高程-10.8m。該船塢的泵房由三個(gè)獨(dú)立的泵艙組成，容納三臺(tái)立式混流泵（EBARA2000VZM），單臺(tái)額定容量達(dá)37000m?/h。通常情況下，三臺(tái)泵的總額定排水量約為111000 m?/h。

為了預(yù)測(cè)排水管路及泵入口處的流型，本文建立了干船塢排水系統(tǒng)的物理模型（本文僅研究2號(hào)船塢DD2），通過(guò)試驗(yàn)觀察干船塢中的自由表面渦流以及泵進(jìn)水口的流動(dòng)狀態(tài)，檢查泵運(yùn)行時(shí)在流道入口處可觀察到旋渦和氣泡夾帶的所有可能的工作水位，研究模型在幾種定義的工況下的水力性能，試驗(yàn)將反映干船塢泵房的設(shè)計(jì)是否滿足ANSI/HI 9.8-2012的水力要求。

1模型設(shè)計(jì)

建立的模型包括船塢、船塢底部排水流道、泵房和泵管等，通過(guò)水箱和循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)水循環(huán)。模型中泵房的設(shè)計(jì)均為封閉式結(jié)構(gòu)，泵房?jī)?nèi)沒(méi)有自由水表面。塢底流道入口橫截面嚴(yán)格按照實(shí)際干船塢建模，保持入口的形狀和大小，水位和測(cè)試流量，在進(jìn)入泵艙之前水流可以完成很好地發(fā)育。船塢及泵房模型實(shí)物圖如圖1所示。

船塢試驗(yàn)旨在檢查干船塢模型在各種工作水位下的流量情況，觀察并記錄船塢中的水位和水面波動(dòng)，并在水位較低時(shí)檢查塢底流道入口處可能出現(xiàn)的旋渦和空氣夾帶[1，2]。

泵房試驗(yàn)旨在評(píng)估泵喉處軸向速度分布的均勻性，研究在試驗(yàn)過(guò)程中，泵艙和泵管中是否產(chǎn)生旋渦，并通過(guò)染料的運(yùn)動(dòng)觀察泵艙中水流穩(wěn)定性[3，4]。

1.1 邊界控制和流量控制

模型的流量通過(guò)循環(huán)泵控制，并由校準(zhǔn)的渦輪流量計(jì)測(cè)量。每個(gè)泵管中安裝一個(gè)閥門(mén)以控制其開(kāi)閉。干船塢模型通過(guò)緩沖壁分為兩部分，緩沖壁低于船塢側(cè)壁，但高于最大測(cè)試水位。水流首先進(jìn)入緩沖部分，然后經(jīng)由緩沖壁流入船塢模型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)水不會(huì)在水面產(chǎn)生強(qiáng)烈的波動(dòng)。

1.2 模型比例

物理模型比例設(shè)置為1：16。所有試驗(yàn)都將在相應(yīng)實(shí)際條件對(duì)應(yīng)的Froude數(shù)下進(jìn)行[5，6]。

1.3 觀察和測(cè)試方法

為便于觀測(cè)，從干船塢到泵房的流動(dòng)采用染料進(jìn)行可視化，在泵喇叭口下方設(shè)置皮托管，皮托管可以45°徑向轉(zhuǎn)動(dòng)以測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的速度分布。泵吸入管中設(shè)置旋度計(jì)，以檢測(cè)管路中水流所具有的旋轉(zhuǎn)角速度。旋度計(jì)裝有4片平直葉片組成的螺旋槳，葉片末端到末端的直徑為管道直徑的75%，在流動(dòng)方向上的長(zhǎng)度為管道直徑的60%，旋度計(jì)的螺旋槳在軸向速度的作用下不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但可在切向流速的作用下旋轉(zhuǎn)。

水利標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（Hydraulic Institute Standards 2012， 簡(jiǎn)寫(xiě)為HI）規(guī)定的時(shí)間平均旋流角表示的預(yù)旋強(qiáng)度應(yīng)小于5度，旋流角定義如式（3）。

2設(shè)計(jì)方案

2.1 物理模型方案

針對(duì)2號(hào)船塢泵房物理模型，編制了試驗(yàn)方案如下表2所示：

2.2驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

除了選擇用于構(gòu)建模型的合適比例之外，還需要制定預(yù)設(shè)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以評(píng)估模型性能。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用HI制定的標(biāo)準(zhǔn)：

（1）HI規(guī)定，進(jìn)入泵的任何旋渦強(qiáng)度都必須小于染料中心旋渦強(qiáng)度，不能出現(xiàn)水下空氣核心的旋渦，水面染料核心的旋渦和水下染料核心的旋渦出現(xiàn)的時(shí)間不能超過(guò)試驗(yàn)總時(shí)間的10%;

（2）泵葉輪位置處的旋流角不得超過(guò)5°;

（3）泵喉處的時(shí)間平均速度不應(yīng)偏離橫截面平均速度的10%;

（4）根據(jù)渦流的嚴(yán)重程度將其分為6個(gè)等級(jí)，其中1級(jí)最輕，6級(jí)最嚴(yán)重。前四級(jí)比較常見(jiàn)，一般不會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生影響;5級(jí)和6級(jí)強(qiáng)度的旋渦會(huì)將空氣吸入泵中，從而對(duì)泵體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。根據(jù)HI規(guī)定，可接受的渦流等級(jí)不應(yīng)大于1級(jí)。

3結(jié)果分析

3.1 船塢中的流動(dòng)狀態(tài)

船塢試驗(yàn)旨在檢查干船塢模型在各種工作水位下的流量條件。當(dāng)水面處于低水位時(shí)，記錄下塢底排水流道入口處可能出現(xiàn)的旋渦和空氣夾帶。在試驗(yàn)過(guò)程中，干船塢中的水位不斷降低。

在每種水位條件下，觀察船塢和排水流道入口處的水流狀態(tài)。下圖2～3顯示了幾個(gè)重要的模型場(chǎng)景。

圖2～3表明，在所有試驗(yàn)水位下，船塢內(nèi)水面波動(dòng)均很小，最大波動(dòng)幅度約為5mm。當(dāng)水面處于低水位時(shí)，排水流道入口出現(xiàn)渦流但未發(fā)現(xiàn)空氣夾帶。當(dāng)干船塢中水位極低時(shí)，流道內(nèi)無(wú)法完全充滿水。

3.2泵房中的流動(dòng)狀態(tài)

泵房試驗(yàn)旨在測(cè)量泵喉處的軸向速度分布，并檢查在所有試驗(yàn)過(guò)程中，泵艙和泵管中是否發(fā)生渦流。在試驗(yàn)中，使用染料觀察從排水流道到泵艙，直至泵管中的水流情況，使用安裝在泵管中的旋度計(jì)測(cè)量泵管中的旋流角。主要流動(dòng)狀態(tài)如圖4～5所示。

由圖4、圖5可以看出，從排水流道到泵艙，再到泵管的流動(dòng)是均勻、穩(wěn)定的，未觀察到強(qiáng)烈的回流和旋渦;在防渦流裝置的作用下，在泵喇叭口下方未觀察到大于ANSI / HI 9.8-2012標(biāo)準(zhǔn)中定義的類型2的內(nèi)部渦流。

由上表可以看出：泵管中的預(yù)旋流很小，在所有試驗(yàn)結(jié)果中，計(jì)算的旋流角均未超過(guò)ANSI / HI9.8-2012標(biāo)準(zhǔn)中定義的閾值（5°）。泵喉部的軸向流速分布均勻，最大偏差不大于5%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4結(jié)論

本文建立了船塢排水系統(tǒng)物理模型，根據(jù)試驗(yàn)方案研究了多種工況下船塢及泵房中的流型及水面穩(wěn)定性，得到了以下結(jié)論：

（1）在船塢試驗(yàn)中，對(duì)于所有試驗(yàn)水位，干船塢模型中水面均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)較明顯的水流波動(dòng);在塢底排水流道入口附近產(chǎn)生的輕微渦流中，未發(fā)現(xiàn)空氣卷入流道中，即渦流等級(jí)小于1;

（2）在泵房試驗(yàn)中，從排水流道到泵管的流量分布是均勻、穩(wěn)定的;在防渦流裝置的作用下，對(duì)于大多數(shù)試驗(yàn)工況，泵喇叭口下方未觀察到內(nèi)部渦流;泵管內(nèi)的流型通常是均勻穩(wěn)定的，未觀察到明顯的渦流。

干船塢排水系統(tǒng)物理模型試驗(yàn)是檢驗(yàn)和優(yōu)化泵裝置、排水流道等水力性能的重要手段。本文通過(guò)對(duì)沙特國(guó)王港項(xiàng)目的干船塢及泵房物理模型試驗(yàn)分析，得到了各操作工況下排水系統(tǒng)的流型及速度分布等，驗(yàn)證了防渦流裝置的有效性及必要性。本文采用的模型設(shè)置、研究方法及思路將對(duì)國(guó)內(nèi)外的工程有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳方旎， 沈穎， 白玉川. 水泵站進(jìn)水池物理模型試驗(yàn)研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)， 2013（02）：155-159.

[2]王晏， 張碩， 王如華. 數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)交互優(yōu)化節(jié)地型輸水泵站[J]. 中國(guó)給水排水， 2014， 030（013）：54-57.

[3]葛強(qiáng)， 陳松山， 施偉，等. 船塢泵站泵裝置模型優(yōu)化試驗(yàn)研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2005， 33（003）：327-330.

[4]李禮. 火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流道模型試驗(yàn)與三維數(shù)值模擬[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2011.

[5]彭大田. 船塢排水泵站進(jìn)水系統(tǒng)水力特性研究[D]. 揚(yáng)州大學(xué)， 2007.

[6]吉紅香， 邱靜， 林美蘭，等. 某核電廠一期工程循環(huán)水泵房進(jìn)水流道物理模型試驗(yàn)研究[J]. 廣東水利水電， 2010（10）：20-23.