海洋仪器设备垂直循环造流试验水槽系统设计

路 宽，王项南，熊 焰，李 彦，宋雨泽

（国家海洋技术中心 ，天津 300112）

海洋仪器设备垂直循环造流试验水槽系统设计

路 宽，王项南，熊 焰，李 彦，宋雨泽

（国家海洋技术中心 ，天津 300112）

海洋动力环境模型试验是海洋监测仪器设备和海洋能发电装置研制的重要过程和手段，是海洋环境监测技术和海洋能开发技术研究的基础。垂直循环造流水槽系统凭借其建设占地面积小及具有较长稳定段等优势，成为海洋仪器设备模型试验的主要实验平台之一。文中提出了垂直循环造流水槽系统的整体设计流程与计算方法，并进行了数值分析，为海洋仪器设备动力实验平台的建设提供了技术依据。

海洋仪器设备；垂直循环造流水槽；系统设计；数值模拟

我国海洋资源丰富，开发和利用潜力巨大，在海洋开发的过程中，海洋环境监测、海洋能开发利用等高新技术的研究和发展是促进海洋可持续开发利用的关键环节。在海洋监测仪器设备和海洋能发电设备的研制过程中，实验室模型试验是重要的研究手段之一，通过试验可再现海洋动力环境，验证海洋监测仪器设备和海洋能发电设备的技术指标和环境适应性，为技术的发展提供科学依据，促进海洋高新科技研发成果的产业化进程。

目前，循环试验水槽主要体现为两种工作方式，一种为水泵驱动，另一种为电机—叶轮驱动的水平循环水槽。在高流速、大流量工况下，水泵驱动方式不仅消耗电机功率巨大而且易产生汽蚀，增加了试验成本；电机—叶轮驱动的水平循环造流方式，试验设施建设占地面积大，因此多为小型设施，规模小意味着稳流端短，试验区不容易形成稳定的流场，影响试验数据的真实。垂直循环造流水槽可以在高流速、大流量工况下实现低功耗，同时减少试验设施建设占地面积，是一种非常具有发展前景的试验系统。

1 垂直循环造流水槽设计

垂直循环造流水槽可根据以下流程图（图1）进行设计。

1.1 水槽工作段基本参数

设计垂直循环造流水槽，首先是确定工作段的设计流速。流速可根据实验对象的需求先确定缩尺比，再根据我国海洋实际情况，确定设计流速。设计流速确定后，就需要确定试验区的尺寸，为了使实验区有一个均匀稳定的流场，实验区的长度不宜过短，其长度一般为模型长度的3倍，常用AUV模型的长度一般在2～3 m，因此实验段的长度取6～9 m即可。海洋仪器模型实验应在无边界层影响的水流中进行，模型宽度不得超过水槽宽度的1/5，以AUV模型为例，其直径在0.3 m左右，因此实验段的宽度应该在1.5 m以上为宜。实验段的高度也有一定的要求，设实验模型的高为d，实验区的高应在4 d以上为宜。

图1 水槽的设计流程图

1.2 水槽尺寸及基本部件布置

1.2.1 水槽长度的确定

水槽工作段确定以后，就可以根据水槽的功能确定整体尺寸。对于只具有造流功能的水槽，不要求很长，因为流体在经过整流段之后，流体的湍流度就基本满足要求了。但是目前的水槽多为波流混合水槽，根据《波浪模型试验规程》规定，造波板距模型的距离应该保持在7倍波长以上。

1.2.2 整流与导流装置的布置

水槽一般装有整流格和阻尼网，它的功能是将来流进行调整，大涡旋通过整流格切割成小涡旋，又将横向流动的水流导直。阻尼网作用是为了降低流体的湍流度。资料表明，西方一些国家的水槽整流段与工作段的长度比为1∶1，有的甚至超过了工作段长度，整流的效果很好，如英国的NPL水槽的整流段就大于工作段，流体的流场均匀稳定，湍流度只有0.5%，而日本的一些水槽由于整流段比较短，流场的湍流度相对高一些，达到了2%左右。因此整流段应尽量长一些。在水槽的转角处应设置导流片，且导流片的布置应该科学，避免水流的分离。

1.2.3 消波装置的布置

水流的运动，会使自由表面产生波浪，特别是流速超过1 m/s时，水面就会产生明显的波动，对实验造成很大的影响。为了避免这种表面兴波，要满足弗汝德数小于0.55，同时，需采用被动消波的方法，即在水槽的末端安装消波板，消波板的角度最好可以调节，且板上需要布置格栅，以最大程度地消除波浪的影响。对于具有造波功能的水槽，可同时采用主动消波的方法，来消除二次反射波的影响。

1.3 水槽能量损失计算

由于流体粘性的影响，流体在流动时会产生阻力，克服阻力就要消耗一部分机械能，造成能量损失。单位重量液体的能量损失称为水头损失。水头损失的正确计算，在工程上是一个极为重要的问题，直接影响到动力设备容量的确定。流体流动时，由于外部条件不同，其水头损失通常分为沿程水头损失与局部水头损失，即：

（1）沿程水头损失

液体流动时，由于克服摩擦阻力做功消耗能量，成为沿程阻力。单位重量液体克服沿程阻力而损失的水头成为沿程水头损失。沿程水头损失是随着流程的长度而增加，在较长的管道中是以沿程水头损失为主的流动。根据水力学，可知均匀流沿程水头损失的计算公式如下：

式中：λ为沿程水头损失系数，根据流态不同λ值也不同，其计算方法可参考水力计算手册；l为流程长度；R为水

力半径；V为断面平均流速。

（2）局部水头损失

式中：ζ为局部水头损失，它与形体周界变化和水流的流态有关，常见的管路局部损失系数值可参考相关资料。

1.4 驱动电机与减速机的选型

根据水槽的总水头损失，采用下式计算工作段功率：

式中：P为功率；Q为工作段流量；H为总水头（mm）；γ为水比重。

减速机的选型应满足叶片扭矩的要求，首先计算水槽螺旋桨的推力与扭矩，再选择满足扭矩与缩比要求的减速机。

1.5 叶片性能计算与校验

驱动水流的轴流泵是水槽造流技术的关键，因轴流泵工作条件是扬程小，流量大，比转数高达3 000以上，而轴流泵的定型产品中比转数只有1 000左右，如果在循环水槽中使用这样的轴流泵，会产生汽蚀，严重影响工作效率。因此，为了满足比转速的要求，一般采用导管螺旋桨做轴流泵叶片。

（1）流体流速

根据流体力学的连续方程：

式中：Q为流体流量；ρ为流体密度；V为流体流速（1，2表示不同截面处的流体）。对于不可压缩和均匀介质流体，各截面上流体密度相等，因此得不可压缩均匀介质流体连续性方程为：

（2）螺旋桨推力与扭矩的估算公式

螺旋桨推力：

式中：η为轴系效率，取 0.846；Ne为电机功率（kW）；V2为螺旋桨进速。

螺旋桨扭矩：

（3）螺旋桨空泡校核

用导管螺旋桨空泡实验所得公式，应满足：

式中：AD/A0为展开面积比；D为螺旋桨直径；PD为螺旋桨收到的功率；n为螺旋桨转速；P0为螺旋桨沉没处压强；PV为气化压强，取1.705 kPa；R为螺旋桨半径；γ为淡水重度，取 9.8×103N/m3。

（4）螺旋桨强度校核

根据规范规定，普通螺旋桨厚度不得小于：

式中：K为材料系数；Y，C按下式计算：

式中：t为 0.25R、0.6R 处桨叶厚度（cm)；Z 为叶数；b为弦长；N 为转速（r/m）；γP为材料重度（g/cm3）；A 为盘面比；θ为纵斜角（°）；P为螺距（m）。

水槽结构计算主要包括水槽部件壁厚计算、加强筋的设置、玻璃结构计算以及水槽固有频率计算，这些可参考相关规范进行设计，这里就不再介绍。

2 实例计算

以海洋监测设备动力环境试验水槽为例进行计算，该水槽为风、浪、流共存的多功能实验水槽。海洋能室内试验设备的缩尺比一般为1∶10，根据重力相似理论，试验水槽的流速比尺为1：，再根据对我国海域实际流速调查的结果分析，确定将4 m/s作为实际海洋环境指标，根据缩尺比，因此设计流速取1.5 m/s。类似的，根据前一节的设计流程对水槽的其它具体参数进行了设计，如表1。

水槽基本结构如图2。

2.1 水槽能量损失计算

根据式（2）和式（3）计算得到水槽能量损失结果如表2。

图2 水槽基本结构

表1 水槽的具体参数

表2 水槽能量损失

2.2 驱动电机的选型

经计算，本水槽工作段的最大流量为2.88 m3/s，根据流速为1.5m/s时候的总水头损失0.351 593 m，压力损失为2.815m。考虑到驱动系统的水头必须大于总水头损失，为安全考虑，取水头损失的1.5～2.0倍，可以得到电机功率约为135 kW。

2.3 叶片性能计算与校验

（1）螺旋桨进速

水槽工作宽度为1.6 m，最大工作水深为1.2 m，最大流速1.5 m/s，螺旋桨直径1.5 m，计算螺旋桨进速如下：

（2）螺旋桨推力与扭矩：

（3）螺旋桨空泡校核：

（4）螺旋桨强度校核

0.25 R处：

0.6 R处：

2.4 水槽造流数值模拟

采用数值模拟的方法对设计的水槽进行验证，计算采用通用CFD软件Fluent进行，采用非定常分离隐式求解器、VOF方法、RNGk-ε湍流模型，控制方程采用中心差分格式离散，压力方程采用Body Force Weighted格式，动量、湍动能、湍动耗散率采用二阶迎风格式，压力速度耦合方式采用PISO方法，结果如图3所示。

循环水槽的叶片安装在下端左侧，这是因为下端比较长的廊道可起到整流作用，根据模拟结果可知，试验区流速可达到1.5 m/s以上，且流场稳定，该水槽的设计可满足试验需要。

图3 水槽造流数值模拟结果

3 结语

本文介绍了设计适用于海洋仪器设备垂直循环试验水槽的流程与方法，并研究了确定水槽相关参数的方法，并针对海洋监测设备动力环境多功能试验水槽进行了具体设计，最后通过Fluent模拟结果显示，试验段流速稳定，可为各类海洋仪器设备模型试验提供较为理想的流体环境。

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The System Design of Vertical Circulating Water Flume for Marine Instruments and Equipments

LU Kuan,WANG Xiang-nan,XIONG Yan,LI Yan,SONG Yu-ze
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Marine dynamic environment experiment simulation is the basis of marine environment monitoring technology and marine energy development technology research.Its purpose is to provide simulation experiment environment for research and testing of marine instruments and equipments.Vertical circulating water flume is extensively applied as it can save more space and have a longer stable flow zone for obtaining the ideal experiment environment.The technological process and method of the whole design of vertical circulating water flume was presented,which provides the technical basis for marine monitoring dynamic environment experiment platform.

marine instruments and equipments;vertical circulating water flume;system design;numerical simulation

P716

B

1003-2029（2012）04-0005-05

2012-04-28

海洋公益性行业科研专项经费资助项目（201005027）

路宽（1982-），男，博士，工程师，主要研究方向为海洋监测动力环境试验模拟。