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、混凝土水工建筑結構設計不合理，或當系統在極端工況條件下運行時，前池內流場呈現高度不穩定狀態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生、提高水面穩定性、確保排水作業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尾流等情況下都可能會誘發渦旋。通常渦旋的位置及強度是瞬態的，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，因為漩渦對水力機組的性能、運行穩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部多種旋渦，這些高度不穩定旋渦會影響水泵吸入口流態，甚至導致夾氣入流，這不僅會造成葉輪載荷不均，產生噪聲及震動，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，惡劣的進水流態也會影響泵房及附近設施的穩定性，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中，進水池一般為密閉的流道，故在進水池中產生的渦旋一般為附壁渦，主要產生的位置為底面、后壁、側壁。這些高度不穩定的旋渦會影響水泵吸入口的流態，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性能，這種方法雖然可以得到準確的結果數據，但也耗費了大量的人力、物力和時間成本，一旦中間某個環節出現紕漏，試驗將要從頭開始，甚至需要重新建模，給設計和生產帶來了諸多不便。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種借助計算機模擬流體流動及相關傳遞現象的系統分析方法和工具，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，通過商業計算流體動力學程序對泵站的三維渦旋流動進行預測，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，系統討論船塢灌水系統的排水策略和控制系統，結合流體體積（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渦旋進行數值模擬，開展旋渦強度和軸向速度測定、染料示蹤流態、粒子圖像測速（PIV）等模型實驗研究。并進一步根據旋渦位置和強度提出過水結構及防渦土建結構的優化方案，這將為大型修、造船廠的高效穩定作業提供理論支持和技術保障。

3 研究內容

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水力性能進行分析。主要研究內容從以下兩個方面展開：

（1）基于ANSYS FLUENT-19.0研究排水系統水力性能及內部流態，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渦旋進行數值模擬和分析，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。并根據流場情況優化裝置結構，解決泵管入口處可能存在的回流及渦流現象，從數值計算的角度驗證排水系統的合理性。

（2）結合CFD模擬計算結果和PIV實驗，針對簡化的泵站前池物理模型開展多種旋渦產生機理和時空演變研究，掌握旋渦的發展規律和抑制手段。聯合高校開展船塢排水系統物理模型實驗，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生旋渦的等級，并通過染料的運動觀察泵艙中水流穩定性，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水力性能，針對危險工況提出消渦裝置的優化設計方案，并從試驗上驗證排水系統的合理性。

4 創新點

針對船塢排水系統，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，采用理論計算與試驗驗證相結合的方式，利用CFD軟件對排水流道進行數值模擬，再根據物理模型試驗中發現的排水系統中存在的問題，提出相對應的修改方案。這種研究方法相比于傳統的船塢設計研究方法提高了理論計算在排水系統中的重要性，發揮了理論計算在排水系統設計中的優勢及指導作用，為后續的物理模型的設計及建造提供了理論指導，節省了大量的人力、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）以數值計算結果為指導，與高校合作搭建物理試驗模型，試驗結果作為CFD計算補充及延伸，構成排水系統穩定性驗證的堅固屏障。采用PIV對模型進水池中可能產生的漩渦的區域進行觀測，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PIV實驗的結果及渦旋產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鍵問題——排水水泵站進水池中的漩渦，介紹了其產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容，創造性地提出了以CFD數值模擬及物理模型試驗相結合的研究方法，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外的工程有一定的指導意義。