试验水池造流剖面数值仿真

潘欣钰，徐 剑，徐永春，苏江锋

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063；2.西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

0 引 言

海洋经济地位日益上升，船舶和海洋工程装备等的技术要求相应地需要大幅提升。作为相关技术研究的基础试验设备，各类试验水池的工艺指标越来越严苛。水池造流系统对于试验具有至关重要的作用，其产生的水流是否满足海洋剖面流速分布直接影响试验精度。学者们对造流系统进行相关研究，例如：吕海宁等[1-2]采用数值模拟和试验的办法研究深海试验水池造流系统，采用二维模拟仿真对压力穿孔墙的孔径、厚度和粗糙度等参数对水池流态的影响进行对比分析；毛承弘等[3]对海洋深水试验池造流系统整流装置进行数值计算与分析；单铁兵等[4]采用计算流体力学(CFD)研究垂向剖面流预报与流场特性；杨建民等[5]研究深水海洋平台水池试验技术的开发与应用趋势；高国瑜等[6]从造流性能指标角度及工程实施角度分析满足不同海流模拟功能的深水试验水池系统工程设计方法。采用CFD软件对试验水池主体进行造流剖面的模拟仿真，通过不同流量配比工况进行二维模拟和三维模拟的对比。

1 工况概况

某水池需要在其中段区域内一个直径为4.0 m、高度为4.2 m的圆柱形空间内获得一定的最大流速和流切变。整个水池的造流系统采用体外循环方式，即泵组设置在池体外，通过管道、布水廊道、整流装置、混合室和射流倾角段等构件使水流按照需要的方向和速度在池体中射流、扩散并流动，从而在试验区域内形成符合工艺要求的流速剖面。该水池主体三维几何模型如图1所示。

图1 水池主体三维几何模型

模型主要几何特征包括6层布水廊道、6层回流廊道、布水廊道横向分隔板、布水廊道与回流廊道的纵向分隔板及池壁等构件，其中：横向分隔板厚度为10 mm；纵向分隔板宽度为250 mm。

2 模拟仿真数学模型

模拟采用CFD软件，通过有限体积法数值求解计算域内的各类物理参数。涉及的计算主要包括风速、压力及湍流方程等，具体为2类控制方程：质量守恒方程和动量守恒方程。

质量守恒方程为

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；x、y、z为直角坐标系3个方向上的距离，m；u、v、w为x、y、z方向上的流体速度，m/s。

动量守恒方程为

(2)

式中：v为流体速度向量，m/s；υ为水的运动黏度，m2/s；p为流体压力，Pa；F为附加力源项，N。

3 造流剖面模拟计算

根据第2节的数学模型，对水池主体的三维计算域进行拓扑网格划分，由于存在厚度为10 mm的导流叶片等细小构件，因此三维模拟网格数量达1 700 万，其局部网格划分情况如图2所示。

图2 水池主体三维计算域网格划分

将出流流道设置为速度入口边界条件，回流流道设置为自由出流边界条件，由于泵组的作用，同一高度上的出流流道与回流流道的流量保持一致。模拟湍流计算采用标准k-ε方程。水池顶部采用钢盖假设，设置为壁面条件，并将水平方向的剪切力分量设置为0。水池的池壁和布水分隔等均设置为无滑移壁面条件。除三维工况外，还设置1组开启4层流道的二维工况进行对比分析。水池主体造流剖面模拟工况设置如表1所示。由于在算例中存在与全池尺寸相比较小的几何特征，因此网格数量较多，采用96核的小型机进行迭代计算。

表1 水池主体造流剖面模拟工况设置

4 模拟结果与分析

经迭代收敛后，通过CFD后处理软件可获得计算域内的相应速度云图。对三维水池计算域进行2个造流剖面的速度云图剖切展示，查看水池在剖面上的速度梯度是否合适，在横向上的流态是否均匀。

工况1～工况3的造流剖面速度分布如图3～图5所示。由图3～图5可见：不同工况的水流在流经试验区域时已存在一定梯度，通过4层流道调节，可在需要的深度将流速调整至适当数值。同一算例不同位置造流剖面的流态分布基本相同，说明水流均匀性较好。

图3 工况1多剖面流速云图

二维模拟工况4与工况3边界条件相同，其造流剖面流速分布如图6所示。对比图5与图6可知：二维模拟与三维模拟在造流剖面方向上的流态趋势基本一致。在水池上部区域，二维模拟的流速比三维模拟高10.0%，其原因主要为二维模拟忽略水池250 mm厚度的纵向分隔，水流在射流倾角段后并无混合过程，其流速自然比三维工况高，但这并不改变水池整体流态及流切变的趋势。

图4 工况2多剖面流速云图

图5 工况3多剖面流速云图

图6 工况4流速云图

所有模拟工况的流切变指标如表2所示。由表2可知：工况1～工况3分别满足水下1.0～2.0 m、2.0～3.0 m和3.0～4.0 m区域的流切变指标。工况3和工况4为边界条件相同的三维模拟和二维模拟，其流切变均为靠近右边的区域较大，随着水流的扩散其流速梯度慢慢变小，从而造成流切变相应变小。在水下3.0～4.0 m区域内，5个流速取样点最大的流切变误差为10.0%。

表2 二维与三维工况流切变指标

三维模拟工况水池横向流速分布与均匀度如表3所示。由表3可知：在所有三维模拟工况中，水池在需要形成规定流切变的区域，其流速最大偏差在10.0%的范围内，考虑整个水池在具有较大流速梯度的工况条件下运行，水流存在一定的紊流度和掺混的情况，因此该横向流速均匀度在可接受范围内。

表3 三维模拟工况水池横向流速分布与均匀度

5 结 论

(1)通过优化多层流道的高度及射流倾角布置可调节射流影响区域，就试验水池来说，在水泵流量受限的设计条件下，可将剪切造流工况的分层流道高度设计为与试验区高度相近为宜。

(2)在最高流量受限的前提下，采用开启不同流道及相应的流量配比方案，可分别满足1.0～2.0 m、2.0～3.0 m和3.0～4.0 m的流切变指标。

(3)由于各层流速存在速度差，剪切造流必将产生一定的旋涡，在平面中流速分布偏差一般在10.0%以内。

(4)布水分隔在出流脱离后可能产生旋涡，可考虑采用将分隔末端改为圆角的方式，使被分隔的水流快速合流。

(5)二维与三维流速剖面的模拟结果存在差异，且二维模拟获得的流切变较大，但二者的趋势一致，可用于前期方案模拟。差异形成的主要原因是三维模拟考虑纵向分隔造成4股射流与静止水流的混合过程，而二维模拟忽略上述分隔构件。