試驗水池造流剖面數(shù)值仿真

潘欣鈺，徐 劍，徐永春，蘇江鋒

(1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引 言

海洋經(jīng)濟地位日益上升，船舶和海洋工程裝備等的技術(shù)要求相應(yīng)地需要大幅提升。作為相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)試驗設(shè)備，各類試驗水池的工藝指標越來越嚴苛。水池造流系統(tǒng)對于試驗具有至關(guān)重要的作用，其產(chǎn)生的水流是否滿足海洋剖面流速分布直接影響試驗精度。學(xué)者們對造流系統(tǒng)進行相關(guān)研究，例如：呂海寧等[1-2]采用數(shù)值模擬和試驗的辦法研究深海試驗水池造流系統(tǒng)，采用二維模擬仿真對壓力穿孔墻的孔徑、厚度和粗糙度等參數(shù)對水池流態(tài)的影響進行對比分析；毛承弘等[3]對海洋深水試驗池造流系統(tǒng)整流裝置進行數(shù)值計算與分析；單鐵兵等[4]采用計算流體力學(xué)(CFD)研究垂向剖面流預(yù)報與流場特性；楊建民等[5]研究深水海洋平臺水池試驗技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用趨勢；高國瑜等[6]從造流性能指標角度及工程實施角度分析滿足不同海流模擬功能的深水試驗水池系統(tǒng)工程設(shè)計方法。采用CFD軟件對試驗水池主體進行造流剖面的模擬仿真，通過不同流量配比工況進行二維模擬和三維模擬的對比。

1 工況概況

某水池需要在其中段區(qū)域內(nèi)一個直徑為4.0 m、高度為4.2 m的圓柱形空間內(nèi)獲得一定的最大流速和流切變。整個水池的造流系統(tǒng)采用體外循環(huán)方式，即泵組設(shè)置在池體外，通過管道、布水廊道、整流裝置、混合室和射流傾角段等構(gòu)件使水流按照需要的方向和速度在池體中射流、擴散并流動，從而在試驗區(qū)域內(nèi)形成符合工藝要求的流速剖面。該水池主體三維幾何模型如圖1所示。

圖1 水池主體三維幾何模型

模型主要幾何特征包括6層布水廊道、6層回流廊道、布水廊道橫向分隔板、布水廊道與回流廊道的縱向分隔板及池壁等構(gòu)件，其中：橫向分隔板厚度為10 mm；縱向分隔板寬度為250 mm。

2 模擬仿真數(shù)學(xué)模型

模擬采用CFD軟件，通過有限體積法數(shù)值求解計算域內(nèi)的各類物理參數(shù)。涉及的計算主要包括風(fēng)速、壓力及湍流方程等，具體為2類控制方程：質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；x、y、z為直角坐標系3個方向上的距離，m；u、v、w為x、y、z方向上的流體速度，m/s。

動量守恒方程為

(2)

式中：v為流體速度向量，m/s；υ為水的運動黏度，m2/s；p為流體壓力，Pa；F為附加力源項，N。

3 造流剖面模擬計算

根據(jù)第2節(jié)的數(shù)學(xué)模型，對水池主體的三維計算域進行拓撲網(wǎng)格劃分，由于存在厚度為10 mm的導(dǎo)流葉片等細小構(gòu)件，因此三維模擬網(wǎng)格數(shù)量達1 700 萬，其局部網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 水池主體三維計算域網(wǎng)格劃分

將出流流道設(shè)置為速度入口邊界條件，回流流道設(shè)置為自由出流邊界條件，由于泵組的作用，同一高度上的出流流道與回流流道的流量保持一致。模擬湍流計算采用標準k-ε方程。水池頂部采用鋼蓋假設(shè)，設(shè)置為壁面條件，并將水平方向的剪切力分量設(shè)置為0。水池的池壁和布水分隔等均設(shè)置為無滑移壁面條件。除三維工況外，還設(shè)置1組開啟4層流道的二維工況進行對比分析。水池主體造流剖面模擬工況設(shè)置如表1所示。由于在算例中存在與全池尺寸相比較小的幾何特征，因此網(wǎng)格數(shù)量較多，采用96核的小型機進行迭代計算。

表1 水池主體造流剖面模擬工況設(shè)置

4 模擬結(jié)果與分析

經(jīng)迭代收斂后，通過CFD后處理軟件可獲得計算域內(nèi)的相應(yīng)速度云圖。對三維水池計算域進行2個造流剖面的速度云圖剖切展示，查看水池在剖面上的速度梯度是否合適，在橫向上的流態(tài)是否均勻。

工況1～工況3的造流剖面速度分布如圖3～圖5所示。由圖3～圖5可見：不同工況的水流在流經(jīng)試驗區(qū)域時已存在一定梯度，通過4層流道調(diào)節(jié)，可在需要的深度將流速調(diào)整至適當(dāng)數(shù)值。同一算例不同位置造流剖面的流態(tài)分布基本相同，說明水流均勻性較好。

圖3 工況1多剖面流速云圖

二維模擬工況4與工況3邊界條件相同，其造流剖面流速分布如圖6所示。對比圖5與圖6可知：二維模擬與三維模擬在造流剖面方向上的流態(tài)趨勢基本一致。在水池上部區(qū)域，二維模擬的流速比三維模擬高10.0%，其原因主要為二維模擬忽略水池250 mm厚度的縱向分隔，水流在射流傾角段后并無混合過程，其流速自然比三維工況高，但這并不改變水池整體流態(tài)及流切變的趨勢。

圖4 工況2多剖面流速云圖

圖5 工況3多剖面流速云圖

圖6 工況4流速云圖

所有模擬工況的流切變指標如表2所示。由表2可知：工況1～工況3分別滿足水下1.0～2.0 m、2.0～3.0 m和3.0～4.0 m區(qū)域的流切變指標。工況3和工況4為邊界條件相同的三維模擬和二維模擬，其流切變均為靠近右邊的區(qū)域較大，隨著水流的擴散其流速梯度慢慢變小，從而造成流切變相應(yīng)變小。在水下3.0～4.0 m區(qū)域內(nèi)，5個流速取樣點最大的流切變誤差為10.0%。

表2 二維與三維工況流切變指標

三維模擬工況水池橫向流速分布與均勻度如表3所示。由表3可知：在所有三維模擬工況中，水池在需要形成規(guī)定流切變的區(qū)域，其流速最大偏差在10.0%的范圍內(nèi)，考慮整個水池在具有較大流速梯度的工況條件下運行，水流存在一定的紊流度和摻混的情況，因此該橫向流速均勻度在可接受范圍內(nèi)。

表3 三維模擬工況水池橫向流速分布與均勻度

5 結(jié) 論

(1)通過優(yōu)化多層流道的高度及射流傾角布置可調(diào)節(jié)射流影響區(qū)域，就試驗水池來說，在水泵流量受限的設(shè)計條件下，可將剪切造流工況的分層流道高度設(shè)計為與試驗區(qū)高度相近為宜。

(2)在最高流量受限的前提下，采用開啟不同流道及相應(yīng)的流量配比方案，可分別滿足1.0～2.0 m、2.0～3.0 m和3.0～4.0 m的流切變指標。

(3)由于各層流速存在速度差，剪切造流必將產(chǎn)生一定的旋渦，在平面中流速分布偏差一般在10.0%以內(nèi)。

(4)布水分隔在出流脫離后可能產(chǎn)生旋渦，可考慮采用將分隔末端改為圓角的方式，使被分隔的水流快速合流。

(5)二維與三維流速剖面的模擬結(jié)果存在差異，且二維模擬獲得的流切變較大，但二者的趨勢一致，可用于前期方案模擬。差異形成的主要原因是三維模擬考慮縱向分隔造成4股射流與靜止水流的混合過程，而二維模擬忽略上述分隔構(gòu)件。