沙特國王港項目船塢排水流道設計研究

霍夢佳，鞏明鑫，吳宏雷

（中國電建集團山東電力建設有限公司，山東 濟南 250001）

0 引言

沙特國王港項目建成后將是世界上規(guī)模最大的船廠之一，項目新建三座大型船塢。為了保證新建船塢的高效安全運行，有必要深入研究目前國內(nèi)外主流的船塢排水流道設計，并對研究方法進行討論。

進水流道合理的水力設計應能為排水泵機組提供良好的進水條件，并改善水泵裝置的能量性能和氣蝕性能。當船塢過水系統(tǒng)、混凝土水工建筑結(jié)構(gòu)設計不合理，或當系統(tǒng)在極端工況條件下運行時，前池內(nèi)流場呈現(xiàn)高度不穩(wěn)定狀態(tài)并誘導多種表面渦和液下渦，造成主排水泵異常振動與噪音，影響運行效率。而設計合理的排水流道對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)的高效安全進行具有重大意義。

1 進水池旋渦

對于排水系統(tǒng)來說，主要研究對象為船塢中排水水泵站進水池中的漩渦。進水池或引水渠方位設置不當引起的不均勻行進水流，存在流速梯度較大的剪切流，沿行進水流方向設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誘發(fā)渦旋。通常渦旋的位置及強度是瞬態(tài)的，這使得它們很難測量和定量分析。眾所周知，水電站進水口或泵站進水池中應盡量避免較強等級的渦旋吸入水力機組內(nèi)，因為漩渦對水力機組的性能、運行穩(wěn)定性以及使用壽命有著顯著的負面影響[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)定旋渦會影響水泵吸入口流態(tài)，甚至導致夾氣入流，這不僅會造成葉輪載荷不均，產(chǎn)生噪聲及震動，嚴重時導致水泵無法正常運行[3-5]。

圖1 泵站前池內(nèi)的多種旋渦

大量進水池實驗表明，漩渦含氣量對水泵的水力性能具有明顯的影響。當吸氣渦含氣量達到1%，水泵效率下降明顯，當超過10%以上，水泵將不能工作，惡劣的進水流態(tài)也會影響泵房及附近設施的穩(wěn)定性，嚴重的情況會危及整個泵站的安全運行。

由于在船塢排水系統(tǒng)中，進水池一般為密閉的流道，故在進水池中產(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)定的旋渦會影響水泵吸入口的流態(tài)，不僅會造成葉輪載荷的不均勻分布，影響運行效率，甚至引起水泵汽蝕，產(chǎn)生噪聲及震動，嚴重時導致水泵不能正常運行。

2 研究方法

當前主流的船塢流道設計通常采用模型試驗的方法驗證排水系統(tǒng)性能，這種方法雖然可以得到準確的結(jié)果數(shù)據(jù)，但也耗費了大量的人力、物力和時間成本，一旦中間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，試驗將要從頭開始，甚至需要重新建模，給設計和生產(chǎn)帶來了諸多不便。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種借助計算機模擬流體流動及相關(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問題的重要手段。為解決上述問題，在對國王港項目船塢流道進行設計時，首先引入CFD技術(shù)，通過商業(yè)計算流體動力學程序?qū)Ρ谜镜娜S渦旋流動進行預測，可針對性地提出相應的消渦方案，這將對前期設計以及建設提供理論性指導作用。

以項目中在建的3座大中型船塢為研究對象，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）方法對進水池中的流動和相關(guān)渦旋進行數(shù)值模擬，開展旋渦強度和軸向速度測定、染料示蹤流態(tài)、粒子圖像測速（PIV）等模型實驗研究。并進一步根據(jù)旋渦位置和強度提出過水結(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 研究內(nèi)容

在對沙特國王港項目船塢排水流道設計中，以ANSYS FLUENT為平臺，并輔以物理模型試驗對船塢排水系統(tǒng)水力性能進行分析。主要研究內(nèi)容從以下兩個方面展開：

（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）方法對進水池中的流動和相關(guān)渦旋進行數(shù)值模擬和分析，分別計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)值計算的角度驗證排水系統(tǒng)的合理性。

（2）結(jié)合CFD模擬計算結(jié)果和PIV實驗，針對簡化的泵站前池物理模型開展多種旋渦產(chǎn)生機理和時空演變研究，掌握旋渦的發(fā)展規(guī)律和抑制手段。聯(lián)合高校開展船塢排水系統(tǒng)物理模型實驗，針對CFD模擬的不同工況進行多項模型試驗，評估泵管喉部的軸向速度分布的均勻性，研究試驗過程中泵艙和泵管中產(chǎn)生旋渦的等級，并通過染料的運動觀察泵艙中水流穩(wěn)定性，得到船塢、泵房、流道及泵管中的流型分布。通過分析各工況下的排水系統(tǒng)水力性能，針對危險工況提出消渦裝置的優(yōu)化設計方案，并從試驗上驗證排水系統(tǒng)的合理性。

4 創(chuàng)新點

針對船塢排水系統(tǒng)，以提高船塢性能及安全性為目標，針對目前排水流道設計中普遍存在的設計要點及難點制定研究思路和研究方法。本項目研究創(chuàng)新點如下：

（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)，采用理論計算與試驗驗證相結(jié)合的方式，利用CFD軟件對排水流道進行數(shù)值模擬，再根據(jù)物理模型試驗中發(fā)現(xiàn)的排水系統(tǒng)中存在的問題，提出相對應的修改方案。這種研究方法相比于傳統(tǒng)的船塢設計研究方法提高了理論計算在排水系統(tǒng)中的重要性，發(fā)揮了理論計算在排水系統(tǒng)設計中的優(yōu)勢及指導作用，為后續(xù)的物理模型的設計及建造提供了理論指導，節(jié)省了大量的人力、物力及時間成本，也避免了直接進行物理試驗帶來的不確定性。

（2）以數(shù)值計算結(jié)果為指導，與高校合作搭建物理試驗模型，試驗結(jié)果作為CFD計算補充及延伸，構(gòu)成排水系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證的堅固屏障。采用PIV對模型進水池中可能產(chǎn)生的漩渦的區(qū)域進行觀測，測量出模型進水池真實的速度場，并對各種消渦措施進行評估，展開針對各類消渦措施的研究，根據(jù)PIV實驗的結(jié)果及渦旋產(chǎn)生機理對船塢進水池消渦裝置進行改進，可進一步提升消渦裝置的有效性。

5 結(jié)語

本文以沙特國王港項目中新建的三座大中型船塢為研究對象，深入分析了船塢排水流道設計中的關(guān)鍵問題——排水水泵站進水池中的漩渦，介紹了其產(chǎn)生機理及對排水泵系的危害，并針對該問題提出了相應的解決思路。文中詳細介紹了國王港項目船塢排水流道設計研究的思路及內(nèi)容，創(chuàng)造性地提出了以CFD數(shù)值模擬及物理模型試驗相結(jié)合的研究方法，并成功應用于項目實施，在降本增效方面取得了成績。本文采用的計算方法和研究思路將對國內(nèi)外的工程有一定的指導意義。