潘欣鈺，徐 劍，徐永春，蘇江鋒

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

0 引 言

海洋經(jīng)濟(jì)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(yàn)設(shè)備，各類(lèi)試驗(yàn)水池的工藝指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)苛。水池造流系統(tǒng)對(duì)于試驗(yàn)具有至關(guān)重要的作用，其產(chǎn)生的水流是否滿(mǎn)足海洋剖面流速分布直接影響試驗(yàn)精度。學(xué)者們對(duì)造流系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究，例如：呂海寧等[1-2]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的辦法研究深海試驗(yàn)水池造流系統(tǒng)，采用二維模擬仿真對(duì)壓力穿孔墻的孔徑、厚度和粗糙度等參數(shù)對(duì)水池流態(tài)的影響進(jìn)行對(duì)比分析；毛承弘等[3]對(duì)海洋深水試驗(yàn)池造流系統(tǒng)整流裝置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析；單鐵兵等[4]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)研究垂向剖面流預(yù)報(bào)與流場(chǎng)特性；楊建民等[5]研究深水海洋平臺(tái)水池試驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用趨勢(shì)；高國(guó)瑜等[6]從造流性能指標(biāo)角度及工程實(shí)施角度分析滿(mǎn)足不同海流模擬功能的深水試驗(yàn)水池系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法。采用CFD軟件對(duì)試驗(yàn)水池主體進(jìn)行造流剖面的模擬仿真，通過(guò)不同流量配比工況進(jìn)行二維模擬和三維模擬的對(duì)比。

1 工況概況

某水池需要在其中段區(qū)域內(nèi)一個(gè)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(gè)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(guò)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(kuò)散并流動(dòng)，從而在試驗(yàn)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(guò)有限體積法數(shù)值求解計(jì)算域內(nèi)的各類(lèi)物理參數(shù)。涉及的計(jì)算主要包括風(fēng)速、壓力及湍流方程等，具體為2類(lèi)控制方程：質(zhì)量守恒方程和動(dòng)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(shí)間，s；x、y、z為直角坐標(biāo)系3個(gè)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(dòng)量守恒方程為

(2)

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

3 造流剖面模擬計(jì)算

根據(jù)第2節(jié)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)水池主體的三維計(jì)算域進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)格劃分，由于存在厚度為10 mm的導(dǎo)流葉片等細(xì)小構(gòu)件，因此三維模擬網(wǎng)格數(shù)量達(dá)1 700 萬(wàn)，其局部網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 水池主體三維計(jì)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(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)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(wú)滑移壁面條件。除三維工況外，還設(shè)置1組開(kāi)啟4層流道的二維工況進(jìn)行對(duì)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(jī)進(jìn)行迭代計(jì)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(guò)CFD后處理軟件可獲得計(jì)算域內(nèi)的相應(yīng)速度云圖。對(duì)三維水池計(jì)算域進(jìn)行2個(gè)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(jiàn)：不同工況的水流在流經(jīng)試驗(yàn)區(qū)域時(shí)已存在一定梯度，通過(guò)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(shuō)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(duì)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(shì)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(wú)混合過(guò)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(shì)。

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(biāo)如表2所示。由表2可知：工況1～工況3分別滿(mǎn)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(biāo)。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(kuò)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(gè)流速取樣點(diǎn)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(biāo)

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(gè)水池在具有較大流速梯度的工況條件下運(yùn)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(guò)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(yàn)水池來(lái)說(shuō)，在水泵流量受限的設(shè)計(jì)條件下，可將剪切造流工況的分層流道高度設(shè)計(jì)為與試驗(yàn)區(qū)高度相近為宜。

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

(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?xún)?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(shì)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(guò)程，而二維模擬忽略上述分隔構(gòu)件。