沙特国王港项目船坞排水流道设计研究

霍梦佳，巩明鑫，吴宏雷

（中国电建集团山东电力建设有限公司，山东 济南 250001）

0 引言

沙特国王港项目建成后将是世界上规模最大的船厂之一，项目新建三座大型船坞。为了保证新建船坞的高效安全运行，有必要深入研究目前国内外主流的船坞排水流道设计，并对研究方法进行讨论。

进水流道合理的水力设计应能为排水泵机组提供良好的进水条件，并改善水泵装置的能量性能和气蚀性能。当船坞过水系统、混凝土水工建筑结构设计不合理，或当系统在极端工况条件下运行时，前池内流场呈现高度不稳定状态并诱导多种表面涡和液下涡，造成主排水泵异常振动与噪音，影响运行效率。而设计合理的排水流道对减少涡流和旋流的发生、提高水面稳定性、确保排水作业的高效安全进行具有重大意义。

1 进水池旋涡

对于排水系统来说，主要研究对象为船坞中排水水泵站进水池中的漩涡。进水池或引水渠方位设置不当引起的不均匀行进水流，存在流速梯度较大的剪切流，沿行进水流方向设置的几何体或障碍物引起的旋转尾流等情况下都可能会诱发涡旋。通常涡旋的位置及强度是瞬态的，这使得它们很难测量和定量分析。众所周知，水电站进水口或泵站进水池中应尽量避免较强等级的涡旋吸入水力机组内，因为漩涡对水力机组的性能、运行稳定性以及使用寿命有着显著的负面影响[1-2]。如下图所示的泵站前池内部多种旋涡，这些高度不稳定旋涡会影响水泵吸入口流态，甚至导致夹气入流，这不仅会造成叶轮载荷不均，产生噪声及震动，严重时导致水泵无法正常运行[3-5]。

图1 泵站前池内的多种旋涡

大量进水池实验表明，漩涡含气量对水泵的水力性能具有明显的影响。当吸气涡含气量达到1%，水泵效率下降明显，当超过10%以上，水泵将不能工作，恶劣的进水流态也会影响泵房及附近设施的稳定性，严重的情况会危及整个泵站的安全运行。

由于在船坞排水系统中，进水池一般为密闭的流道，故在进水池中产生的涡旋一般为附壁涡，主要产生的位置为底面、后壁、侧壁。这些高度不稳定的旋涡会影响水泵吸入口的流态，不仅会造成叶轮载荷的不均匀分布，影响运行效率，甚至引起水泵汽蚀，产生噪声及震动，严重时导致水泵不能正常运行。

2 研究方法

当前主流的船坞流道设计通常采用模型试验的方法验证排水系统性能，这种方法虽然可以得到准确的结果数据，但也耗费了大量的人力、物力和时间成本，一旦中间某个环节出现纰漏，试验将要从头开始，甚至需要重新建模，给设计和生产带来了诸多不便。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一种借助计算机模拟流体流动及相关传递现象的系统分析方法和工具，也是目前用于解决三维流动问题的重要手段。为解决上述问题，在对国王港项目船坞流道进行设计时，首先引入CFD技术，通过商业计算流体动力学程序对泵站的三维涡旋流动进行预测，可针对性地提出相应的消涡方案，这将对前期设计以及建设提供理论性指导作用。

以项目中在建的3座大中型船坞为研究对象，系统讨论船坞灌水系统的排水策略和控制系统，结合流体体积（VOF）方法及嵌入式大涡模拟（ELES）方法对进水池中的流动和相关涡旋进行数值模拟，开展旋涡强度和轴向速度测定、染料示踪流态、粒子图像测速（PIV）等模型实验研究。并进一步根据旋涡位置和强度提出过水结构及防涡土建结构的优化方案，这将为大型修、造船厂的高效稳定作业提供理论支持和技术保障。

3 研究内容

在对沙特国王港项目船坞排水流道设计中，以ANSYS FLUENT为平台，并辅以物理模型试验对船坞排水系统水力性能进行分析。主要研究内容从以下两个方面展开：

（1）基于ANSYS FLUENT-19.0研究排水系统水力性能及内部流态，采用流体体积（VOF）方法及嵌入式大涡模拟（ELES）方法对进水池中的流动和相关涡旋进行数值模拟和分析，分别计算若干典型工况下排水管路、泵室及泵管内的速度分布云图、速度矢量分布图、流线分布及二次流型，从而探讨防涡流装置的性能及必要性。并根据流场情况优化装置结构，解决泵管入口处可能存在的回流及涡流现象，从数值计算的角度验证排水系统的合理性。

（2）结合CFD模拟计算结果和PIV实验，针对简化的泵站前池物理模型开展多种旋涡产生机理和时空演变研究，掌握旋涡的发展规律和抑制手段。联合高校开展船坞排水系统物理模型实验，针对CFD模拟的不同工况进行多项模型试验，评估泵管喉部的轴向速度分布的均匀性，研究试验过程中泵舱和泵管中产生旋涡的等级，并通过染料的运动观察泵舱中水流稳定性，得到船坞、泵房、流道及泵管中的流型分布。通过分析各工况下的排水系统水力性能，针对危险工况提出消涡装置的优化设计方案，并从试验上验证排水系统的合理性。

4 创新点

针对船坞排水系统，以提高船坞性能及安全性为目标，针对目前排水流道设计中普遍存在的设计要点及难点制定研究思路和研究方法。本项目研究创新点如下：

（1）基于流体体积（VOF）方法及嵌入式大涡模拟（ELES）研究船坞排水系统，采用理论计算与试验验证相结合的方式，利用CFD软件对排水流道进行数值模拟，再根据物理模型试验中发现的排水系统中存在的问题，提出相对应的修改方案。这种研究方法相比于传统的船坞设计研究方法提高了理论计算在排水系统中的重要性，发挥了理论计算在排水系统设计中的优势及指导作用，为后续的物理模型的设计及建造提供了理论指导，节省了大量的人力、物力及时间成本，也避免了直接进行物理试验带来的不确定性。

（2）以数值计算结果为指导，与高校合作搭建物理试验模型，试验结果作为CFD计算补充及延伸，构成排水系统稳定性验证的坚固屏障。采用PIV对模型进水池中可能产生的漩涡的区域进行观测，测量出模型进水池真实的速度场，并对各种消涡措施进行评估，展开针对各类消涡措施的研究，根据PIV实验的结果及涡旋产生机理对船坞进水池消涡装置进行改进，可进一步提升消涡装置的有效性。

5 结语

本文以沙特国王港项目中新建的三座大中型船坞为研究对象，深入分析了船坞排水流道设计中的关键问题——排水水泵站进水池中的漩涡，介绍了其产生机理及对排水泵系的危害，并针对该问题提出了相应的解决思路。文中详细介绍了国王港项目船坞排水流道设计研究的思路及内容，创造性地提出了以CFD数值模拟及物理模型试验相结合的研究方法，并成功应用于项目实施，在降本增效方面取得了成绩。本文采用的计算方法和研究思路将对国内外的工程有一定的指导意义。