沙特國(guó)王港項(xiàng)目船塢排水流道設(shè)計(jì)研究

霍夢(mèng)佳，鞏明鑫，吳宏雷

（中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

沙特國(guó)王港項(xiàng)目建成后將是世界上規(guī)模最大的船廠之一，項(xiàng)目新建三座大型船塢。為了保證新建船塢的高效安全運(yùn)行，有必要深入研究目前國(guó)內(nèi)外主流的船塢排水流道設(shè)計(jì)，并對(duì)研究方法進(jìn)行討論。

進(jìn)水流道合理的水力設(shè)計(jì)應(yīng)能為排水泵機(jī)組提供良好的進(jìn)水條件，并改善水泵裝置的能量性能和氣蝕性能。當(dāng)船塢過(guò)水系統(tǒng)、混凝土水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，或當(dāng)系統(tǒng)在極端工況條件下運(yùn)行時(shí)，前池內(nèi)流場(chǎng)呈現(xiàn)高度不穩(wěn)定狀態(tài)并誘導(dǎo)多種表面渦和液下渦，造成主排水泵異常振動(dòng)與噪音，影響運(yùn)行效率。而設(shè)計(jì)合理的排水流道對(duì)減少渦流和旋流的發(fā)生、提高水面穩(wěn)定性、確保排水作業(yè)的高效安全進(jìn)行具有重大意義。

1 進(jìn)水池旋渦

對(duì)于排水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要研究對(duì)象為船塢中排水水泵站進(jìn)水池中的漩渦。進(jìn)水池或引水渠方位設(shè)置不當(dāng)引起的不均勻行進(jìn)水流，存在流速梯度較大的剪切流，沿行進(jìn)水流方向設(shè)置的幾何體或障礙物引起的旋轉(zhuǎn)尾流等情況下都可能會(huì)誘發(fā)渦旋。通常渦旋的位置及強(qiáng)度是瞬態(tài)的，這使得它們很難測(cè)量和定量分析。眾所周知，水電站進(jìn)水口或泵站進(jìn)水池中應(yīng)盡量避免較強(qiáng)等級(jí)的渦旋吸入水力機(jī)組內(nèi)，因?yàn)殇鰷u對(duì)水力機(jī)組的性能、運(yùn)行穩(wěn)定性以及使用壽命有著顯著的負(fù)面影響[1-2]。如下圖所示的泵站前池內(nèi)部多種旋渦，這些高度不穩(wěn)定旋渦會(huì)影響水泵吸入口流態(tài)，甚至導(dǎo)致夾氣入流，這不僅會(huì)造成葉輪載荷不均，產(chǎn)生噪聲及震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水泵無(wú)法正常運(yùn)行[3-5]。

圖1 泵站前池內(nèi)的多種旋渦

大量進(jìn)水池實(shí)驗(yàn)表明，漩渦含氣量對(duì)水泵的水力性能具有明顯的影響。當(dāng)吸氣渦含氣量達(dá)到1%，水泵效率下降明顯，當(dāng)超過(guò)10%以上，水泵將不能工作，惡劣的進(jìn)水流態(tài)也會(huì)影響泵房及附近設(shè)施的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的情況會(huì)危及整個(gè)泵站的安全運(yùn)行。

由于在船塢排水系統(tǒng)中，進(jìn)水池一般為密閉的流道，故在進(jìn)水池中產(chǎn)生的渦旋一般為附壁渦，主要產(chǎn)生的位置為底面、后壁、側(cè)壁。這些高度不穩(wěn)定的旋渦會(huì)影響水泵吸入口的流態(tài)，不僅會(huì)造成葉輪載荷的不均勻分布，影響運(yùn)行效率，甚至引起水泵汽蝕，產(chǎn)生噪聲及震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水泵不能正常運(yùn)行。

2 研究方法

當(dāng)前主流的船塢流道設(shè)計(jì)通常采用模型試驗(yàn)的方法驗(yàn)證排水系統(tǒng)性能，這種方法雖然可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果數(shù)據(jù)，但也耗費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間成本，一旦中間某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，試驗(yàn)將要從頭開(kāi)始，甚至需要重新建模，給設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不便。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種借助計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，也是目前用于解決三維流動(dòng)問(wèn)題的重要手段。為解決上述問(wèn)題，在對(duì)國(guó)王港項(xiàng)目船塢流道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先引入CFD技術(shù)，通過(guò)商業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序?qū)Ρ谜镜娜S渦旋流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可針對(duì)性地提出相應(yīng)的消渦方案，這將對(duì)前期設(shè)計(jì)以及建設(shè)提供理論性指導(dǎo)作用。

以項(xiàng)目中在建的3座大中型船塢為研究對(duì)象，系統(tǒng)討論船塢灌水系統(tǒng)的排水策略和控制系統(tǒng)，結(jié)合流體體積（VOF）方法及嵌入式大渦模擬（ELES）方法對(duì)進(jìn)水池中的流動(dòng)和相關(guān)渦旋進(jìn)行數(shù)值模擬，開(kāi)展旋渦強(qiáng)度和軸向速度測(cè)定、染料示蹤流態(tài)、粒子圖像測(cè)速（PIV）等模型實(shí)驗(yàn)研究。并進(jìn)一步根據(jù)旋渦位置和強(qiáng)度提出過(guò)水結(jié)構(gòu)及防渦土建結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，這將為大型修、造船廠的高效穩(wěn)定作業(yè)提供理論支持和技術(shù)保障。

3 研究?jī)?nèi)容

在對(duì)沙特國(guó)王港項(xiàng)目船塢排水流道設(shè)計(jì)中，以ANSYS FLUENT為平臺(tái)，并輔以物理模型試驗(yàn)對(duì)船塢排水系統(tǒng)水力性能進(jìn)行分析。主要研究?jī)?nèi)容從以下兩個(gè)方面展開(kāi)：

（1）基于ANSYS FLUENT-19.0研究排水系統(tǒng)水力性能及內(nèi)部流態(tài)，采用流體體積（VOF）方法及嵌入式大渦模擬（ELES）方法對(duì)進(jìn)水池中的流動(dòng)和相關(guān)渦旋進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，分別計(jì)算若干典型工況下排水管路、泵室及泵管內(nèi)的速度分布云圖、速度矢量分布圖、流線分布及二次流型，從而探討防渦流裝置的性能及必要性。并根據(jù)流場(chǎng)情況優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，解決泵管入口處可能存在的回流及渦流現(xiàn)象，從數(shù)值計(jì)算的角度驗(yàn)證排水系統(tǒng)的合理性。

（2）結(jié)合CFD模擬計(jì)算結(jié)果和PIV實(shí)驗(yàn)，針對(duì)簡(jiǎn)化的泵站前池物理模型開(kāi)展多種旋渦產(chǎn)生機(jī)理和時(shí)空演變研究，掌握旋渦的發(fā)展規(guī)律和抑制手段。聯(lián)合高校開(kāi)展船塢排水系統(tǒng)物理模型實(shí)驗(yàn)，針對(duì)CFD模擬的不同工況進(jìn)行多項(xiàng)模型試驗(yàn)，評(píng)估泵管喉部的軸向速度分布的均勻性，研究試驗(yàn)過(guò)程中泵艙和泵管中產(chǎn)生旋渦的等級(jí)，并通過(guò)染料的運(yùn)動(dòng)觀察泵艙中水流穩(wěn)定性，得到船塢、泵房、流道及泵管中的流型分布。通過(guò)分析各工況下的排水系統(tǒng)水力性能，針對(duì)危險(xiǎn)工況提出消渦裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并從試驗(yàn)上驗(yàn)證排水系統(tǒng)的合理性。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)船塢排水系統(tǒng)，以提高船塢性能及安全性為目標(biāo)，針對(duì)目前排水流道設(shè)計(jì)中普遍存在的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)制定研究思路和研究方法。本項(xiàng)目研究創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）基于流體體積（VOF）方法及嵌入式大渦模擬（ELES）研究船塢排水系統(tǒng)，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，利用CFD軟件對(duì)排水流道進(jìn)行數(shù)值模擬，再根據(jù)物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的排水系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提出相對(duì)應(yīng)的修改方案。這種研究方法相比于傳統(tǒng)的船塢設(shè)計(jì)研究方法提高了理論計(jì)算在排水系統(tǒng)中的重要性，發(fā)揮了理論計(jì)算在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)及指導(dǎo)作用，為后續(xù)的物理模型的設(shè)計(jì)及建造提供了理論指導(dǎo)，節(jié)省了大量的人力、物力及時(shí)間成本，也避免了直接進(jìn)行物理試驗(yàn)帶來(lái)的不確定性。

（2）以數(shù)值計(jì)算結(jié)果為指導(dǎo)，與高校合作搭建物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)結(jié)果作為CFD計(jì)算補(bǔ)充及延伸，構(gòu)成排水系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證的堅(jiān)固屏障。采用PIV對(duì)模型進(jìn)水池中可能產(chǎn)生的漩渦的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量出模型進(jìn)水池真實(shí)的速度場(chǎng)，并對(duì)各種消渦措施進(jìn)行評(píng)估，展開(kāi)針對(duì)各類消渦措施的研究，根據(jù)PIV實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及渦旋產(chǎn)生機(jī)理對(duì)船塢進(jìn)水池消渦裝置進(jìn)行改進(jìn)，可進(jìn)一步提升消渦裝置的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以沙特國(guó)王港項(xiàng)目中新建的三座大中型船塢為研究對(duì)象，深入分析了船塢排水流道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題——排水水泵站進(jìn)水池中的漩渦，介紹了其產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)排水泵系的危害，并針對(duì)該問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決思路。文中詳細(xì)介紹了國(guó)王港項(xiàng)目船塢排水流道設(shè)計(jì)研究的思路及內(nèi)容，創(chuàng)造性地提出了以CFD數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，并成功應(yīng)用于項(xiàng)目實(shí)施，在降本增效方面取得了成績(jī)。本文采用的計(jì)算方法和研究思路將對(duì)國(guó)內(nèi)外的工程有一定的指導(dǎo)意義。