一種深水池進水口的整流方法

徐永春，陳建輝，黃書杭，徐 劍，潘欣鈺

(1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063；2.西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

目前，各類試驗水池工程的工藝和設備布置條件對造流系統提出越來越高的要求。在某些改造項目中，考慮到總體布置的合理性，有時深水池的進水口只能安裝在水池底部，而非一般方案中將進水口安裝在水池側面。為在水池中形成定向水流，并保持一定的均勻性，位于水池底部的進水口須使進入水池的射流具備合適的角度，同時避免進水水流過于紊亂。為達到上述進水要求，須在進水口區域設置整流措施，從而最大限度地保持進水水流的均勻性。以某深水池改造工程為例，對進水口整流方法進行計算流體力學仿真優化。

1 優化目的

某深水池改造工程采用矩形導流槽型進水口設計形式，進水口設計方案如圖1所示。詳細設計參數為：進水口開20條導流槽，槽口寬50 mm，導流槽與假底夾角為75°，導流槽中心距為150 mm。導流槽從最左端開始編號，最左端記為1號，最右端記為20號。目前，該方案已初步達到改造工程對造流系統的要求，CFD數值模擬顯示理論上能夠在深水池目標區域范圍內形成穩定、均勻流場。

圖1 某深水池改造工程的進水口設計方案

CFD數值模擬分析結果顯示，經過該進水口流入深水池的水雖能按照較為理想的方向造流，但是在深水池進水口斷面的出流速度較紊亂。各導流槽在假底表面的配水速度如圖2所示。

圖2 某深水池進水口出流斷面各導流槽出流速度

導流槽出流速度的整體趨勢為從1號到20號逐漸下降，下降的斜率依次增大，且在下降過程中速度有所波動。對該深水池進水口增加整流措施，可優化深水池進水口設計，提高目標區域的流場均勻度。

2 優化方法

2.1 技術路線

技術路線如圖3所示，分為分析深水池進水口的理想配水方式、得出整流目標、設計整流措施以及驗證和評價整流效果。

圖3 深水池進水口整流方法研究技術路線圖

2.2 數值模擬試驗方法

以CFD軟件為工具，對深水池整體流場進行計算[1]，采用的邊界條件和參數設定如下：

(1)模擬分析采用二維計算域簡化計算；

(2)模擬對象為一個造流單元沿長度、深度方向的截面；

(3)最大網格為0.5 m；

(4)采用標準k-ε湍流模型；

(5)邊界條件除進出口外，統一設為壁面，其中頂部壁面設為無剪切阻力；

(6)進水口邊界條件設為速度入口，速度為0.4 m/s，出口邊界條件設為自由出流。

2.3 數值模擬試驗結果評價和取值

增加整流措施的目的是提高目標區域的流場均勻度。為評價深水池進水口各導流槽出流速度對目標區域流場均勻度的影響，擬在目標區域范圍內取若干點，監測每個點的流速并繪制流速變化曲線，定性描述目標區域的流場均勻度，用縱向速度梯度和橫向速度梯度兩個指標定量描述目標區域的流場均勻度。

上述定量指標選取的目標區域為長方形：長為30 m，從水池中心向左面和右面各取15 m；深為1 m，從距離水面0.05 m到水下1.05 m。取點方法如圖4所示，將目標區域在長度方向和高度方向均分為30個和2個小格，每個小格長1 m、高0.5 m，各交點即為取值點。目標區域沿長度方向即x軸取31條等分線，第16條線為深水池中心線并記為x=0，左為負向，右為正向，x變化范圍為-15 m～15 m；目標區域沿深度方向即y軸取3條等分線，為防止表層流形成波浪的影響，y軸各線同步下移0.05 m，從上往下分別記為y=-0.05 m、y=-0.55 m、y=-1.05 m。

圖4 目標區域取點方法

3 深水池進水口整流設計

3.1 整流目標

設計3種理想的深水池進水口出流方案，詳細參數如表1所示，討論深水池進水口導流槽配水方式對目標區域流場均勻度的影響。目標區域流場均勻度采用縱向均勻度和橫向均勻度兩個評價指標。縱向均勻度是指深水池同一斷面(x軸)上不同深度的速度變化程度，橫向均勻度是指深水池同一水深(y軸)上不同斷面的速度變化程度。縱向均勻度和橫向均勻度計算式為

(1)

(2)

表1 3種理想的深水池進水口出流方案

根據圖4所示取點方法，對CFD數值模擬試驗結果的目標區域流速分布進行監測，整理數據統計結果(見表2)并繪制圖5。由圖5可知，方案1流速分層最明顯，方案3流速分層接近方案1且較明顯，方案2的流速最紊亂。由表2可知：方案1橫向均勻度較好；方案2縱向均勻度較好；方案3的橫向均勻度接近方案1且明顯優于方案2，同時縱向均勻度接近方案2且明顯優于方案1。綜合來看方案3為最優出流方式，即進水口整流措施的目標是讓每個深水池進水口的導流槽出流流速相等。

表2 3種理想整流方案的數據統計

圖5 3種理想整流方案數值模擬的各點速度

3.2 整流方法

3.2.1 整流設計方案

深水池進水口整流設計的目標是讓20條水池進水口導流槽的出流流速相等。為達到這一目的，借鑒目前水池相關的一些整流方法[2-3]，采取系列整流措施。改進后的深水池進水口設計如圖6所示。

圖6 深水池進水口整流措施

主要整流措施包括：

(1)由兩塊擋板構成收縮渠：前置擋板A1的作用是為進水管進入收縮渠的水流轉向提供良好的水力特性；后置斜板A2的作用是引導收縮渠內的水流流向和靜水壓力分布，使整流板前各點布水總壓盡可能均勻。

(2)采用鋼板制作整流板，板上開若干個細槽，槽口寬度、數量及細槽排布方式根據流場的流量、槽內流速確定。槽內流速一般控制在2～4 m/s。整流板主要作用是在造流出水口方向上消除出水管道內的壓力不平衡，使水流均勻地通過導流槽進入深水池。

(3)由鋼板焊接制作整流擋板。每隔一段間距布置一塊鋼制擋板：擋板中心須對準整流板的細槽，起進一步消能及均勻布水的作用；擋板數量與整流板開槽數量相同，擋板寬度和排布方式根據消能強度確定，通常整流擋板過流流速控制在0.5～1.0 m/s；擋板還須對準導流槽的槽口中心，使水流均勻進入各導流槽。

3.2.2 整流效果

經整流后的深水池進水口各導流槽出流速度分布云圖如圖7所示，各導流槽出流速度基本均勻。導流槽出流速度如圖8所示，各導流槽出流速度整體趨勢從左往右下降，但是斜率較平緩。經數據分析，各導流槽出流速度的計算方差為0.035，而初始方案的計算方差為0.068，與初始情況相比，配水均勻度顯著提高。

圖7 實施整流措施的深水池進水口出流斷面速度分布云圖

圖8 增加整流措施后深水池進水口出流斷面各導流槽出流速度

4 結 論

利用CFD技術模擬計算可知，從假底表面出流的水池進水口最佳配水方式為各導流槽均勻配水，該方式在表層流場中同時具有較好的橫向均勻度和縱向均勻度。設計了一種水池進水口的整流方法，包括在進水口前設置收縮渠，增加整流板和整流擋板等。該方法使該水池進水口各導流槽出流流速方差從0.068降低至0.035，配水均勻度得到顯著提高。