大型船坞排水系统CFD模拟及分析

霍梦佳，巩明鑫，王国亮，吴宏雷

（中国电建集团山东电力建设有限公司，山东济南250001）

随着船舶行业的持续高位运行，世界各国大型干船坞不断兴建，而大船坞排水配套设施成为影响船坞性能的主要因素之一。在船厂项目中，船坞是最重要的生产设施，排水系统的合理设计及优化是对船坞的生产过程至关重要。

沙特国王港项目是在建的世界上规模最大的“超级船厂”，项目新建了1座10万t级造船坞，其基本尺寸为：坞长374 m，坞宽90 m，坞底高程-10.8 m，属于大型船坞。船坞排水系统配备3台立式混流泵，本文借助CFD技术对船坞的排水系统进行模拟计算，预测排水管路及泵入口处的流型，检查是否有涡流存在，并对排水系统性能进行分析和评价。

1 模拟方法

1.1 计算软件及方法

本模拟研究在商业模拟软件ANSYS CFX-19.0中进行，采用雷诺平均Navier-Stokes方程求解三维定常、不可压缩、黏性流体模型[1]。利用有限体积法（FVM）对控制方程进行离散，并用简单算法进行求解。为了得到高质量的计算结果，此模型共划分了2 300万个网格单元。

1.2 建立模型

建立排水系统的模型如图1所示，包括干船坞（Dry Dock）、地下流道（Culvert）、导流片（Vanes）、防涡流装置（Anti-vortex Devices）和泵室（Pump bay）等。

图1 干船坞泵房计算模型

在泵座上安装通风口以排除空气，并将图2所示的灰色部分采用混凝土填充，因为如果吸入口喉部上方空间过大，在较大的流速差异下，在泵入口处容易产生旋流，将对排水性能产生不利影响。

图2 泵仓尺寸

模型的入口边界设置在干船坞的自由水面，假定流量均匀；出口边界位于泵上方的排出管处，距泵的吸入口有足够的距离。

根据水泵流量，将入口边界条件设置为统一的指定速度，出口边界条件之一设置为压力指定条件，其他边界分别根据泵的流量设置为速度指定条件[2]。

在模型中，干船坞的空气—水自由面采用“自由滑移墙边界（Free slip wall boundary）”，这是在水面变形很小且可以忽略不计时的常规简化方法[3，4]。

1.3 计算实例

操作条件及计算实例，详见表1。

表1 操作条件及计算实例

1.4 计算结果的检查方法

根据工程经验和美国国家泵入口设计标准（ANSI/HI 9.8-2012）进行模型测试，通过以下方法检查CFD计算结果。

（1）来自船坞流道的水流量方向应指向水泵入口，并在到达泵入口前实现最小涡流。

（2）在泵入口附近未观察到明显的导致旋涡发生的回流。

（3）在吸入管中未发现明显的旋流，面积平均旋流角表示的预旋强度应小于5°。其中，旋流角θ定义如下：

式中：Vθ和Vα分别指的是泵轴线的切线速度和轴向速度（m/s）；A指的是吸入管的横截面积（m2）。根据图3所示的泵房剖面，检查泵室的上述流量标准；在喉部的吸入口处检查泵吸入管中的流体旋转强度，即旋流角。图3中各参数代表的含义如下：ZS为吸水口喉部横截面，以此截面检查预旋强度；Z1为喇叭口和泵室底部之间的中段平面，以此截面检查是否有涡流在泵室底部发生；Y为管道中心的垂直平面，用于检查流动均匀性和速度分布。

图3 泵房剖面检查

2 结果分析

2.1 实例1

在此例中，所有的泵都处于运行状态，计算结果如图4—12所示。

图4—5显示了喇叭口和泵室底部之间的中段面Z1处的速度云图和矢量分布。由图4—5可以看出，每个泵室的流量分布几乎均匀，在吸入口处未观察到明显的回流。由于流动的均匀性和抗涡流装置的有效性，没有涡流进入泵中。

图4 截面Z1的速度云图

图5 截面Z1的速度矢量

图6—8显示了截面YA、YB和YC处的速度矢量分布。由图6—8可以看出，每个泵室中的流量分布均匀，在吸入口附近没有观察到明显的回流。

图6 截面YA的速度矢量

图7 截面YB的速度矢量

图8 截面YC的速度矢量

图9显示了从泵室底部和侧壁吸入口附近的流线分布，可以看出泵961-G-4421A、泵961-G-4421B和泵961-G-4421C的喇叭口处无流线回流。

图9 泵仓底部的流线分布

图10—12显示了进水口喉部的轴向速度、二次流和旋流角分布。从图10—12可以看出，进场流量被均匀地吸入，面积平均旋流角小于先前的接受标准5°。

图10 泵961-G-4421A截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

2.2 实例2

在此例中，所有的泵都处于运行状态，计算结果如图13—21所示。

图13—14显示了喇叭口和泵室底部之间的中剖面Z1处的速度云图和矢量分布。由图13—14可以看出，每个泵室的流量分布几乎均匀，在吸入口处未观察到明显的回流。由于流动的均匀性和抗涡流装置的有效性，没有涡流进入泵中。

图13 截面Z1的速度云图

图11 泵961-G-4421B截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

图12 泵961-G-4421C截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

图14 截面Z1的速度矢量

图16 截面YB的速度矢量

图17 截面YC的速度矢量

图15—17显示了截面YA、YB和YC处的速度矢量分布。由图15—17可以看出，每个泵室中的流量分布均匀，在吸入口附近没有观察到明显的回流。

图15 截面YA的速度矢量

图18显示了从泵室底部和侧壁吸入口附近的流线分布，可以看出泵961-G-4421A、泵961-G-4421B和泵961-G-4421C的喇叭口处无流线回流。

图18 泵仓底部的流线分布

图19—21显示了进水口喉部的轴向速度、二次流和旋流角分布。从图19—21可以看出，进场流量被均匀地吸入，面积平均旋流角小于先前的接受标准5°。

2.3 实例3

在此例中，泵961-G-4421A处于运行状态，泵961-G-4421B和泵961-G-4421C处于待机状态，计算结果如图22—26所示。

图20 泵961-G-4421B截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

图21 泵961-G-4421C截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

图22—23显示了喇叭口和泵室底部之间的中剖面Z1处的速度云图和矢量分布。由图22—23可以看出，每个泵室的流量分布几乎均匀，在吸入口处未观察到明显的回流。由于流动的均匀性和抗涡流装置的有效性，没有涡流进入泵961-G-4421A中。

图22 截面Z1的速度云图

图23 截面Z1的速度矢量

图24显示了在截面YA上的速度矢量分布，可以看出每个泵室中的流量均匀，在吸入口附近没有观察到明显的回流。图25显示了泵室底部和侧壁的吸入口附近的流线，泵961-G-4421A的喇叭口处没有流线回流。图26显示了吸入口喉部的轴向速度、二次流和旋流角分布，进场流量被均匀地吸入，面积平均旋流角小于先前的接受程度标准5°。

图24 截面YA的速度矢量

图25 泵仓底部的流线分布

3 结论

通过对船坞排水系统进行建模和计算，分析了3种工况下的管路和泵吸入口处的流型和速度分布，得到了以下结论。

（1）在所有工况下，从泵舱侧壁和底部都没有观察到明显的回流现象，这表明导流片和防涡流装置对避免涡流的产生是有效的。

（2）各泵在所有计算工况下的旋流角均小于5°且在可接受标准之内，详见表2。

表2 各计算实例下的吸入管口的旋流角

图26 泵961-G-4421A截面ZS处的轴速度云图、二次流及旋流角分布

A处船坞排水系统的性能对船坞的生产作业具有十分重要的作用，本文通过对沙特国王港项目的干船坞排水系统进行CFD分析，得到了各操作条件下的排水系统水流流型及速度分布等，验证了防涡流装置对避免涡流产生的必要性，可有效提高排水系统性能。

本文采用的模型设置、计算方法及研究思路将对国内外的工程有一定的指导意义。