大型船坞排水系统物理模型试验及分析

巩明鑫 霍梦佳 王国亮

摘 要：根据相关理论分析成果，借助于大学科研平台建立了船坞排水系统的物理模型，针对不同工况进行了多种模型试验，得到了船坞、泵房、流道及泵管中的流型分布，分析了各工况下的排水系统水力性能，结果表明防涡流装置可以有效避免涡流的产生，干船坞泵房的设计满足相关水力要求。本文研究思路及试验方法对国内外的工程有一定的指导意义。

关键词：物理模型试验;泵房;船坞;涡流

沙特国王港项目是在建的世界上规模最大的“超级船厂”，项目将新建三座大型船坞。其中2号干船坞基本尺寸为：坞长374m，坞宽90m，坞底高程-10.8m。该船坞的泵房由三个独立的泵舱组成，容纳三台立式混流泵（EBARA2000VZM），单台额定容量达37000m?/h。通常情况下，三台泵的总额定排水量约为111000 m?/h。

为了预测排水管路及泵入口处的流型，本文建立了干船坞排水系统的物理模型（本文仅研究2号船坞DD2），通过试验观察干船坞中的自由表面涡流以及泵进水口的流动状态，检查泵运行时在流道入口处可观察到旋涡和气泡夹带的所有可能的工作水位，研究模型在几种定义的工况下的水力性能，试验将反映干船坞泵房的设计是否满足ANSI/HI 9.8-2012的水力要求。

1模型设计

建立的模型包括船坞、船坞底部排水流道、泵房和泵管等，通过水箱和循环泵实现水循环。模型中泵房的设计均为封闭式结构，泵房内没有自由水表面。坞底流道入口横截面严格按照实际干船坞建模，保持入口的形状和大小，水位和测试流量，在进入泵舱之前水流可以完成很好地发育。船坞及泵房模型实物图如图1所示。

船坞试验旨在检查干船坞模型在各种工作水位下的流量情况，观察并记录船坞中的水位和水面波动，并在水位较低时检查坞底流道入口处可能出现的旋涡和空气夹带[1，2]。

泵房试验旨在评估泵喉处轴向速度分布的均匀性，研究在试验过程中，泵舱和泵管中是否产生旋涡，并通过染料的运动观察泵舱中水流稳定性[3，4]。

1.1 边界控制和流量控制

模型的流量通过循环泵控制，并由校准的涡轮流量计测量。每个泵管中安装一个阀门以控制其开闭。干船坞模型通过缓冲壁分为两部分，缓冲壁低于船坞侧壁，但高于最大测试水位。水流首先进入缓冲部分，然后经由缓冲壁流入船坞模型。根据经验，进水不会在水面产生强烈的波动。

1.2 模型比例

物理模型比例设置为1：16。所有试验都将在相应实际条件对应的Froude数下进行[5，6]。

1.3 观察和测试方法

为便于观测，从干船坞到泵房的流动采用染料进行可视化，在泵喇叭口下方设置皮托管，皮托管可以45°径向转动以测量多个点的速度分布。泵吸入管中设置旋度计，以检测管路中水流所具有的旋转角速度。旋度计装有4片平直叶片组成的螺旋桨，叶片末端到末端的直径为管道直径的75%，在流动方向上的长度为管道直径的60%，旋度计的螺旋桨在轴向速度的作用下不会转动，但可在切向流速的作用下旋轉。

水利标准协会（Hydraulic Institute Standards 2012， 简写为HI）规定的时间平均旋流角表示的预旋强度应小于5度，旋流角定义如式（3）。

2设计方案

2.1 物理模型方案

针对2号船坞泵房物理模型，编制了试验方案如下表2所示：

2.2验收标准

除了选择用于构建模型的合适比例之外，还需要制定预设的验收标准以评估模型性能。验收标准采用HI制定的标准：

（1）HI规定，进入泵的任何旋涡强度都必须小于染料中心旋涡强度，不能出现水下空气核心的旋涡，水面染料核心的旋涡和水下染料核心的旋涡出现的时间不能超过试验总时间的10%;

（2）泵叶轮位置处的旋流角不得超过5°;

（3）泵喉处的时间平均速度不应偏离横截面平均速度的10%;

（4）根据涡流的严重程度将其分为6个等级，其中1级最轻，6级最严重。前四级比较常见，一般不会对泵产生影响;5级和6级强度的旋涡会将空气吸入泵中，从而对泵体产生严重破坏。根据HI规定，可接受的涡流等级不应大于1级。

3结果分析

3.1 船坞中的流动状态

船坞试验旨在检查干船坞模型在各种工作水位下的流量条件。当水面处于低水位时，记录下坞底排水流道入口处可能出现的旋涡和空气夹带。在试验过程中，干船坞中的水位不断降低。

在每种水位条件下，观察船坞和排水流道入口处的水流状态。下图2～3显示了几个重要的模型场景。

图2～3表明，在所有试验水位下，船坞内水面波动均很小，最大波动幅度约为5mm。当水面处于低水位时，排水流道入口出现涡流但未发现空气夹带。当干船坞中水位极低时，流道内无法完全充满水。

3.2泵房中的流动状态

泵房试验旨在测量泵喉处的轴向速度分布，并检查在所有试验过程中，泵舱和泵管中是否发生涡流。在试验中，使用染料观察从排水流道到泵舱，直至泵管中的水流情况，使用安装在泵管中的旋度计测量泵管中的旋流角。主要流动状态如图4～5所示。

由图4、图5可以看出，从排水流道到泵舱，再到泵管的流动是均匀、稳定的，未观察到强烈的回流和旋涡;在防涡流装置的作用下，在泵喇叭口下方未观察到大于ANSI / HI 9.8-2012标准中定义的类型2的内部涡流。

由上表可以看出：泵管中的预旋流很小，在所有试验结果中，计算的旋流角均未超过ANSI / HI9.8-2012标准中定义的阈值（5°）。泵喉部的轴向流速分布均匀，最大偏差不大于5%，完全符合标准的要求。

4结论

本文建立了船坞排水系统物理模型，根据试验方案研究了多种工况下船坞及泵房中的流型及水面稳定性，得到了以下结论：

（1）在船坞试验中，对于所有试验水位，干船坞模型中水面均保持稳定，未出现较明显的水流波动;在坞底排水流道入口附近产生的轻微涡流中，未发现空气卷入流道中，即涡流等级小于1;

（2）在泵房试验中，从排水流道到泵管的流量分布是均匀、稳定的;在防涡流装置的作用下，对于大多数试验工况，泵喇叭口下方未观察到内部涡流;泵管内的流型通常是均匀稳定的，未观察到明显的涡流。

干船坞排水系统物理模型试验是检验和优化泵装置、排水流道等水力性能的重要手段。本文通过对沙特国王港项目的干船坞及泵房物理模型试验分析，得到了各操作工况下排水系统的流型及速度分布等，验证了防涡流装置的有效性及必要性。本文采用的模型设置、研究方法及思路将对国内外的工程有一定的指导意义。

参考文献：

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