大型船塢排水系統CFD模擬及分析

霍夢佳，鞏明鑫，王國亮，吳宏雷

（中國電建集團山東電力建設有限公司，山東濟南250001）

隨著船舶行業的持續高位運行，世界各國大型干船塢不斷興建，而大船塢排水配套設施成為影響船塢性能的主要因素之一。在船廠項目中，船塢是最重要的生產設施，排水系統的合理設計及優化是對船塢的生產過程至關重要。

沙特國王港項目是在建的世界上規模最大的“超級船廠”，項目新建了1座10萬t級造船塢，其基本尺寸為：塢長374 m，塢寬90 m，塢底高程-10.8 m，屬于大型船塢。船塢排水系統配備3臺立式混流泵，本文借助CFD技術對船塢的排水系統進行模擬計算，預測排水管路及泵入口處的流型，檢查是否有渦流存在，并對排水系統性能進行分析和評價。

1 模擬方法

1.1 計算軟件及方法

本模擬研究在商業模擬軟件ANSYS CFX-19.0中進行，采用雷諾平均Navier-Stokes方程求解三維定常、不可壓縮、黏性流體模型[1]。利用有限體積法（FVM）對控制方程進行離散，并用簡單算法進行求解。為了得到高質量的計算結果，此模型共劃分了2 300萬個網格單元。

1.2 建立模型

建立排水系統的模型如圖1所示，包括干船塢（Dry Dock）、地下流道（Culvert）、導流片（Vanes）、防渦流裝置（Anti-vortex Devices）和泵室（Pump bay）等。

圖1 干船塢泵房計算模型

在泵座上安裝通風口以排除空氣，并將圖2所示的灰色部分采用混凝土填充，因為如果吸入口喉部上方空間過大，在較大的流速差異下，在泵入口處容易產生旋流，將對排水性能產生不利影響。

圖2 泵倉尺寸

模型的入口邊界設置在干船塢的自由水面，假定流量均勻；出口邊界位于泵上方的排出管處，距泵的吸入口有足夠的距離。

根據水泵流量，將入口邊界條件設置為統一的指定速度，出口邊界條件之一設置為壓力指定條件，其他邊界分別根據泵的流量設置為速度指定條件[2]。

在模型中，干船塢的空氣—水自由面采用“自由滑移墻邊界（Free slip wall boundary）”，這是在水面變形很小且可以忽略不計時的常規簡化方法[3，4]。

1.3 計算實例

操作條件及計算實例，詳見表1。

表1 操作條件及計算實例

1.4 計算結果的檢查方法

根據工程經驗和美國國家泵入口設計標準（ANSI/HI 9.8-2012）進行模型測試，通過以下方法檢查CFD計算結果。

（1）來自船塢流道的水流量方向應指向水泵入口，并在到達泵入口前實現最小渦流。

（2）在泵入口附近未觀察到明顯的導致旋渦發生的回流。

（3）在吸入管中未發現明顯的旋流，面積平均旋流角表示的預旋強度應小于5°。其中，旋流角θ定義如下：

式中：Vθ和Vα分別指的是泵軸線的切線速度和軸向速度（m/s）；A指的是吸入管的橫截面積（m2）。根據圖3所示的泵房剖面，檢查泵室的上述流量標準；在喉部的吸入口處檢查泵吸入管中的流體旋轉強度，即旋流角。圖3中各參數代表的含義如下：ZS為吸水口喉部橫截面，以此截面檢查預旋強度；Z1為喇叭口和泵室底部之間的中段平面，以此截面檢查是否有渦流在泵室底部發生；Y為管道中心的垂直平面，用于檢查流動均勻性和速度分布。

圖3 泵房剖面檢查

2 結果分析

2.1 實例1

在此例中，所有的泵都處于運行狀態，計算結果如圖4—12所示。

圖4—5顯示了喇叭口和泵室底部之間的中段面Z1處的速度云圖和矢量分布。由圖4—5可以看出，每個泵室的流量分布幾乎均勻，在吸入口處未觀察到明顯的回流。由于流動的均勻性和抗渦流裝置的有效性，沒有渦流進入泵中。

圖4 截面Z1的速度云圖

圖5 截面Z1的速度矢量

圖6—8顯示了截面YA、YB和YC處的速度矢量分布。由圖6—8可以看出，每個泵室中的流量分布均勻，在吸入口附近沒有觀察到明顯的回流。

圖6 截面YA的速度矢量

圖7 截面YB的速度矢量

圖8 截面YC的速度矢量

圖9顯示了從泵室底部和側壁吸入口附近的流線分布，可以看出泵961-G-4421A、泵961-G-4421B和泵961-G-4421C的喇叭口處無流線回流。

圖9 泵倉底部的流線分布

圖10—12顯示了進水口喉部的軸向速度、二次流和旋流角分布。從圖10—12可以看出，進場流量被均勻地吸入，面積平均旋流角小于先前的接受標準5°。

圖10 泵961-G-4421A截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

2.2 實例2

在此例中，所有的泵都處于運行狀態，計算結果如圖13—21所示。

圖13—14顯示了喇叭口和泵室底部之間的中剖面Z1處的速度云圖和矢量分布。由圖13—14可以看出，每個泵室的流量分布幾乎均勻，在吸入口處未觀察到明顯的回流。由于流動的均勻性和抗渦流裝置的有效性，沒有渦流進入泵中。

圖13 截面Z1的速度云圖

圖11 泵961-G-4421B截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

圖12 泵961-G-4421C截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

圖14 截面Z1的速度矢量

圖16 截面YB的速度矢量

圖17 截面YC的速度矢量

圖15—17顯示了截面YA、YB和YC處的速度矢量分布。由圖15—17可以看出，每個泵室中的流量分布均勻，在吸入口附近沒有觀察到明顯的回流。

圖15 截面YA的速度矢量

圖18顯示了從泵室底部和側壁吸入口附近的流線分布，可以看出泵961-G-4421A、泵961-G-4421B和泵961-G-4421C的喇叭口處無流線回流。

圖18 泵倉底部的流線分布

圖19—21顯示了進水口喉部的軸向速度、二次流和旋流角分布。從圖19—21可以看出，進場流量被均勻地吸入，面積平均旋流角小于先前的接受標準5°。

2.3 實例3

在此例中，泵961-G-4421A處于運行狀態，泵961-G-4421B和泵961-G-4421C處于待機狀態，計算結果如圖22—26所示。

圖20 泵961-G-4421B截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

圖21 泵961-G-4421C截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

圖22—23顯示了喇叭口和泵室底部之間的中剖面Z1處的速度云圖和矢量分布。由圖22—23可以看出，每個泵室的流量分布幾乎均勻，在吸入口處未觀察到明顯的回流。由于流動的均勻性和抗渦流裝置的有效性，沒有渦流進入泵961-G-4421A中。

圖22 截面Z1的速度云圖

圖23 截面Z1的速度矢量

圖24顯示了在截面YA上的速度矢量分布，可以看出每個泵室中的流量均勻，在吸入口附近沒有觀察到明顯的回流。圖25顯示了泵室底部和側壁的吸入口附近的流線，泵961-G-4421A的喇叭口處沒有流線回流。圖26顯示了吸入口喉部的軸向速度、二次流和旋流角分布，進場流量被均勻地吸入，面積平均旋流角小于先前的接受程度標準5°。

圖24 截面YA的速度矢量

圖25 泵倉底部的流線分布

3 結論

通過對船塢排水系統進行建模和計算，分析了3種工況下的管路和泵吸入口處的流型和速度分布，得到了以下結論。

（1）在所有工況下，從泵艙側壁和底部都沒有觀察到明顯的回流現象，這表明導流片和防渦流裝置對避免渦流的產生是有效的。

（2）各泵在所有計算工況下的旋流角均小于5°且在可接受標準之內，詳見表2。

表2 各計算實例下的吸入管口的旋流角

圖26 泵961-G-4421A截面ZS處的軸速度云圖、二次流及旋流角分布

A處船塢排水系統的性能對船塢的生產作業具有十分重要的作用，本文通過對沙特國王港項目的干船塢排水系統進行CFD分析，得到了各操作條件下的排水系統水流流型及速度分布等，驗證了防渦流裝置對避免渦流產生的必要性，可有效提高排水系統性能。

本文采用的模型設置、計算方法及研究思路將對國內外的工程有一定的指導意義。