一种深水池进水口的整流方法

徐永春，陈建辉，黄书杭，徐 剑，潘欣钰

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063；2.西安航天发动机有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

目前，各类试验水池工程的工艺和设备布置条件对造流系统提出越来越高的要求。在某些改造项目中，考虑到总体布置的合理性，有时深水池的进水口只能安装在水池底部，而非一般方案中将进水口安装在水池侧面。为在水池中形成定向水流，并保持一定的均匀性，位于水池底部的进水口须使进入水池的射流具备合适的角度，同时避免进水水流过于紊乱。为达到上述进水要求，须在进水口区域设置整流措施，从而最大限度地保持进水水流的均匀性。以某深水池改造工程为例，对进水口整流方法进行计算流体力学仿真优化。

1 优化目的

某深水池改造工程采用矩形导流槽型进水口设计形式，进水口设计方案如图1所示。详细设计参数为：进水口开20条导流槽，槽口宽50 mm，导流槽与假底夹角为75°，导流槽中心距为150 mm。导流槽从最左端开始编号，最左端记为1号，最右端记为20号。目前，该方案已初步达到改造工程对造流系统的要求，CFD数值模拟显示理论上能够在深水池目标区域范围内形成稳定、均匀流场。

图1 某深水池改造工程的进水口设计方案

CFD数值模拟分析结果显示，经过该进水口流入深水池的水虽能按照较为理想的方向造流，但是在深水池进水口断面的出流速度较紊乱。各导流槽在假底表面的配水速度如图2所示。

图2 某深水池进水口出流断面各导流槽出流速度

导流槽出流速度的整体趋势为从1号到20号逐渐下降，下降的斜率依次增大，且在下降过程中速度有所波动。对该深水池进水口增加整流措施，可优化深水池进水口设计，提高目标区域的流场均匀度。

2 优化方法

2.1 技术路线

技术路线如图3所示，分为分析深水池进水口的理想配水方式、得出整流目标、设计整流措施以及验证和评价整流效果。

图3 深水池进水口整流方法研究技术路线图

2.2 数值模拟试验方法

以CFD软件为工具，对深水池整体流场进行计算[1]，采用的边界条件和参数设定如下：

(1)模拟分析采用二维计算域简化计算；

(2)模拟对象为一个造流单元沿长度、深度方向的截面；

(3)最大网格为0.5 m；

(4)采用标准k-ε湍流模型；

(5)边界条件除进出口外，统一设为壁面，其中顶部壁面设为无剪切阻力；

(6)进水口边界条件设为速度入口，速度为0.4 m/s，出口边界条件设为自由出流。

2.3 数值模拟试验结果评价和取值

增加整流措施的目的是提高目标区域的流场均匀度。为评价深水池进水口各导流槽出流速度对目标区域流场均匀度的影响，拟在目标区域范围内取若干点，监测每个点的流速并绘制流速变化曲线，定性描述目标区域的流场均匀度，用纵向速度梯度和横向速度梯度两个指标定量描述目标区域的流场均匀度。

上述定量指标选取的目标区域为长方形：长为30 m，从水池中心向左面和右面各取15 m；深为1 m，从距离水面0.05 m到水下1.05 m。取点方法如图4所示，将目标区域在长度方向和高度方向均分为30个和2个小格，每个小格长1 m、高0.5 m，各交点即为取值点。目标区域沿长度方向即x轴取31条等分线，第16条线为深水池中心线并记为x=0，左为负向，右为正向，x变化范围为-15 m～15 m；目标区域沿深度方向即y轴取3条等分线，为防止表层流形成波浪的影响，y轴各线同步下移0.05 m，从上往下分别记为y=-0.05 m、y=-0.55 m、y=-1.05 m。

图4 目标区域取点方法

3 深水池进水口整流设计

3.1 整流目标

设计3种理想的深水池进水口出流方案，详细参数如表1所示，讨论深水池进水口导流槽配水方式对目标区域流场均匀度的影响。目标区域流场均匀度采用纵向均匀度和横向均匀度两个评价指标。纵向均匀度是指深水池同一断面(x轴)上不同深度的速度变化程度，横向均匀度是指深水池同一水深(y轴)上不同断面的速度变化程度。纵向均匀度和横向均匀度计算式为

(1)

(2)

表1 3种理想的深水池进水口出流方案

根据图4所示取点方法，对CFD数值模拟试验结果的目标区域流速分布进行监测，整理数据统计结果(见表2)并绘制图5。由图5可知，方案1流速分层最明显，方案3流速分层接近方案1且较明显，方案2的流速最紊乱。由表2可知：方案1横向均匀度较好；方案2纵向均匀度较好；方案3的横向均匀度接近方案1且明显优于方案2，同时纵向均匀度接近方案2且明显优于方案1。综合来看方案3为最优出流方式，即进水口整流措施的目标是让每个深水池进水口的导流槽出流流速相等。

表2 3种理想整流方案的数据统计

图5 3种理想整流方案数值模拟的各点速度

3.2 整流方法

3.2.1 整流设计方案

深水池进水口整流设计的目标是让20条水池进水口导流槽的出流流速相等。为达到这一目的，借鉴目前水池相关的一些整流方法[2-3]，采取系列整流措施。改进后的深水池进水口设计如图6所示。

图6 深水池进水口整流措施

主要整流措施包括：

(1)由两块挡板构成收缩渠：前置挡板A1的作用是为进水管进入收缩渠的水流转向提供良好的水力特性；后置斜板A2的作用是引导收缩渠内的水流流向和静水压力分布，使整流板前各点布水总压尽可能均匀。

(2)采用钢板制作整流板，板上开若干个细槽，槽口宽度、数量及细槽排布方式根据流场的流量、槽内流速确定。槽内流速一般控制在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内的压力不平衡，使水流均匀地通过导流槽进入深水池。

(3)由钢板焊接制作整流挡板。每隔一段间距布置一块钢制挡板：挡板中心须对准整流板的细槽，起进一步消能及均匀布水的作用；挡板数量与整流板开槽数量相同，挡板宽度和排布方式根据消能强度确定，通常整流挡板过流流速控制在0.5～1.0 m/s；挡板还须对准导流槽的槽口中心，使水流均匀进入各导流槽。

3.2.2 整流效果

经整流后的深水池进水口各导流槽出流速度分布云图如图7所示，各导流槽出流速度基本均匀。导流槽出流速度如图8所示，各导流槽出流速度整体趋势从左往右下降，但是斜率较平缓。经数据分析，各导流槽出流速度的计算方差为0.035，而初始方案的计算方差为0.068，与初始情况相比，配水均匀度显著提高。

图7 实施整流措施的深水池进水口出流断面速度分布云图

图8 增加整流措施后深水池进水口出流断面各导流槽出流速度

4 结 论

利用CFD技术模拟计算可知，从假底表面出流的水池进水口最佳配水方式为各导流槽均匀配水，该方式在表层流场中同时具有较好的横向均匀度和纵向均匀度。设计了一种水池进水口的整流方法，包括在进水口前设置收缩渠，增加整流板和整流挡板等。该方法使该水池进水口各导流槽出流流速方差从0.068降低至0.035，配水均匀度得到显著提高。