循环水槽隔板设计与水槽倾斜研究

李金成 陈作钢 徐 力 桥诘泰久

1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240 2西日本流体技研株式会社，日本 长崎8570401

循环水槽隔板设计与水槽倾斜研究

李金成1陈作钢1徐 力1桥诘泰久2

1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240 2西日本流体技研株式会社，日本 长崎8570401

循环水槽同传统拖曳水池相比具有许多优点，因而日益广泛地应用于船型开发和船舶水动力性能研究。在水槽中设置隔板可以模拟海洋中的分层流，但隔板的迟滞作用必然会对循环水槽计测部流场品质造成一定的影响。为了研究这一设想对流场的影响，数值模拟循环水槽在无隔板、整段隔板以及分段隔板情况下的流动情况。对比结果表明，采用分段隔板形式较为理想。另一方面，循环水槽作为一种基础实验设施，对其计测部的水平度有着严格要求，探讨安装中的误差或投入使用后地基沉降引起的水槽倾斜对计测部流动带来的影响。基于VOF模型，模拟水平及各倾角二维条件下循环水槽计测部的流动情况，结果表明，较大倾角时，计测部波面变化较大，且计测部末端有气泡产生，而在微小倾角时，波面变化不明显。

循环水槽；数值模拟；隔板；倾斜

1 引言

拖曳水池是进行船舶性能研究实验的重要设施，其在船舶设计与研究的过程中发挥着重要作用。然而由于轨道长度的制约，拖曳水池在试验观察时间上受到一定限制，而循环水槽很好地弥补了这一不足，在前沿探索性基础研究和工程应用开发中发挥着重要作用［1－2］。

循环水槽可以分为水平式循环水槽和直立式循环水槽，其中直立式循环水槽结构如图1所示。其水流由水泵叶轮推动，流经扩张段后进入到第三拐角，为了减少流动的分离，在4个拐角处都设置了圆弧型的导流片。水流流过第四拐角后会依次流经蜂窝器、多孔板、阻尼网、管嘴收缩段，然后进入计测部，最后流经第一拐角和第二拐角完成一周循环。在计测部可进行船模的阻力、斜航、自航、PMM等实验。实验者可以通过计测部的透明窗口直观地观察流动情况，同时在计测部还安装有各种测量仪器，能够准确测量相关实验数据。

图1 循环水槽简图（2－D）Fig.1 Schematic diagram of CWC（2－D）

在过去，循环水槽的设计主要依赖于经验公式［3-4］。美国、英国、荷兰、日本等国家都建立起了循环水槽来服务于船舶、渔业和竞技训练等方面，其中以日本拥有的数量最多。在国内也有一些高校和研究机构建立了各自的循环水槽。近几年，随着计算流体力学的进步以及高性能计算机的飞速发展，CFD技术以其成本低、速度快、精细捕捉流场特性等一系列优点，也被用于循环水槽的开发中［5－6］。

上海交通大学拟建的风洞循环水槽主要由低速风洞和循环水槽两部分组成，二者联合作用能够模拟船舶与海洋结构物在风、浪、流以及分层流等复杂条件下的流体水动力性能［6］。其具有能对流场进行长时间、多目标和自动化的测量等优点，同时能够实现流场的可视化并能研究复杂工况下的船舶流体动力学响应，这些都是传统的实验设置无法比拟的。

在循环水槽中进行分层流实验时，需要设置隔板将普通循环水槽分割成内外基本相同的两部分来形成分层流，陈作钢等［6］已通过计算和实验对比，验证了该设想的有效性和适用范围。本文考虑隔板的迟滞作用对计测部来流均一性的影响，基于计算流体力学通用计算软件Fluent，分别研究了无隔板、分段隔板、整段隔板下计测部流场，以期对循环水槽中隔板的设计提供参考。

循环水槽作为一种精密的基础实验装置，对计测部的水平度有着严格要求。在循环水槽安装过程中，可能会由于制造或者安装中的误差导致水槽不水平，同时在循环水槽建成使用过程中，由于建筑地基等因素，循环水槽会产生沉降，如果沉降非均匀，水槽会发生倾斜。本文研究了循环水槽由于建造或者安装误差以及地基的不均匀沉降导致的倾斜对其计测部流场产生的不利影响，以期对此进行预测和评估。

2 分层流数值研究

2.1 模型说明

在循环水槽中进行分层流实验时，需要设置隔板来形成分层流，而在不需要分层流的实验中，隔板的存在会破坏来流的均一性。因此拟将隔板设计为分段式，当不需要形成分层流时，可拆卸掉部分隔板以减小影响。

我们模拟了三种形式的隔板对计测部流场的影响。在整段隔板算例中，从入口处设置隔板，将水槽分成内外基本相等的两部分，隔板一直延伸至计测部前端；分段隔板算例中隔板从入口处开始，延伸至蜂窝器处。无隔板算例中没有设置隔板，如图2所示。

图2 三种隔板形式及计算区域简图Fig.2 Three types of separator and schematic diagram of computational domain

计算模型为二维，计算区域中仅包含了第三拐角、第四拐角、管嘴收缩段以及计测部，其中在第三、第四拐角处包含有导流片，管嘴收缩段前方设置有简化的蜂窝器。水流从下方入口流入，依次流经第三拐角、第四拐角、管嘴收缩段和计测部，最后从计测部末端出口流出。

本文中采用计算流体力学通用软件Fluent6.3进行循环水槽内的流场模拟，即用有限体积法求解RANS方程，采用了标准的k－ε湍流模式，对近壁流动采用了标准壁函数进行简化。计测部的自由液面采用滑移面作了简化处理，导流片和蜂窝器均为无滑移壁面条件。Simple法［7］被用于速度与压力之间的耦合。动量方程和k－ε方程均选取二阶上风格式。

本算例中，入口处截面的高度为3.2 m，第三拐角和第四拐角处导流片半径均为0.5 m，计测部的大小为：8.0 m×1.6 m（长×高）。入口条件为：入口速度（velocity－inlet），入口流速1.0 m／s；出口处条件为出口压力（pressure－outlet）。

2.2 计算结果及分析

通过计算，我们得到了三种情况下的计测部入口下游1 m、2 m和3 m处截面上的流速分布，详见图3。

图3 计测部不同位置截面上水流速度分布图Fig.3 Velocity distributions on three cross sections at the test section of CWC

通过图3可以观察到：在没有隔板的情况下，除了在底壁附近和自由面附近流速较低外，中间流速较为均一。安置了隔板以后，在隔板处（H＝0.8 m）流速较低，这是由于隔板的迟滞作用造成的。在分段隔板的算例中，我们观察到在隔板处流速有一些变化，但是并不很明显。因此相比于整段隔板形式，采用分段隔板的形式可以使计测部流动更为均匀。

船舶实验中船模的吃水远小于计测部的深度，所以我们更关心的是船模实验区域的流场情况，故重点考察了计测部上半区域 （H＝0.8～1.4 m）的流场，但是在自由表面处流速均较低，实际水槽中可以通过在计测部入口上游设置表面流加速装置来弥补，而本计算中没有涉及，导致了这一结果，故1.4～1.6 m的区域没有纳入考察范围。

从图4中明显观察到，整段隔板的算例中，速度均方差最大，即这种形式下，速度的均一性最差。无隔板形式下，速度的均一性最好，分段隔板形式居中，且在计测部入口下游3 m处，无隔板和分段隔板的速度均方差相差不大。因此，可将隔板设计为分段式，一方面它能够模拟分层流，另一方面在不需要模拟分层流时，不会对计测部的流场均一性产生大的影响。

图4 三种隔板形式下不同位置速度均方差（H＝0.8～1.4 m）Fig.4 Speed standard deviations on three cross sections at the test section of CWC

3 倾斜对循环水槽计测部流动的影响

3.1 模型说明

循环水槽作为一种精密的实验设施，对计测部的水平度有着很高要求。如果水槽发生了倾斜，计测部的流动可能会有较大的改变，这对船模实验的结果将产生不良影响。在循环水槽的建造以及安装过程中，安装误差在所难免，水槽可能会有一定的倾斜角，而且在水槽投入使用后，由于地基的不均匀沉降，水槽也会有一定的倾角，本节模拟了水槽不同倾角下计测部的流动情况，以期对不利情况预定对策。

为了提高计算效率，忽略了三维效应，采用了二维计算，并略去了其余3个拐角，仅保留第一拐角并作适当延伸。计算区域主要包括管嘴收缩段、计测部、第一转角以及导流片，如图5所示。为了模拟计测部自由面，在计测部上方添加了一个空气区域，该区域两侧为壁面条件，上方为压力出口条件。同时，第一拐角处要高于计测部水面高度，故在此处有一负压区，来保证拐角处充满水，具体数值由第一拐角处水位与计测部自由面水位压力差值计算得到。入口选在管嘴收缩段的左侧，入口速度为1.0 m／s，出口位于第一拐角的后方，为保证流量守恒及空气不从下游流出，出口处采用了负流入的特殊形式，即采用速度入口条件，速度大小为1.778 m／s。

此节计算中采用标准k－ε湍流模式封闭方程，标准壁函数简化处理近壁流动。非定常的VOF法［8］被用于模拟自由表面。计算中采用Presto法进行压力插值，Simple法被用于速度和压力间的耦合计算。用显式CICSAM格式［9］求解VOF方程，对动量方程采用三阶MUSCL格式［10］，对k和ε方程采用二阶迎风格式。

图5 计算域示意图Fig.5 Schematic diagram of computational domain

3.2 大倾角下水槽计测部流场模拟

水槽在建造或者安装过程中可能存在安装误差，这会导致水槽有一定的倾角，此处我们模拟了水槽在较大倾角（±1°）时计测部的流动情况，并与水槽水平时计测部的流场作对比。图6中为3种情况下计测部流场某瞬时的流动情况，文中水槽逆时针旋转记为正，反之为负。

图6 较大倾角下计测部流动情况Fig.6 Flow at the test section of CWC with large inclinations

从上图中可以观察到：同水槽在水平时的计测部波面相比，水槽在大倾角（±1°）下波面变化较大。其中水槽逆时针旋转1°时，波浪幅值相对较大，同时在计测部的末端有气泡产生，并混入水流进入第一拐角，这将对流场品质造成严重影响，如果气泡循环后流入到计测部，会影响到实际观测效果；水槽顺时针旋转1°时，波幅较大，在计测部末端有一个明显的波峰。故大角度倾斜将对循环水槽的流场以及观测造成很大影响。在建造和安装的过程中，应确保水槽水平。

3.3 小倾角下水槽计测部流场模拟

即使在建造安装过程中水槽完全水平，但是水槽建造安装完成一段时间后由于地基沉降，尤其是不均匀沉降必将产生水槽倾斜。依据现场地质勘测结果推算，在夯实地基的情况下循环水槽的倾斜度不会超过±0.1°。因而本节中主要研究了水槽在水平、倾斜±0.1°下的计测部流动情况，最后对比各种情况下计测部的流动情况，研究水槽在倾斜后其计测部自由面的变化情况，详见图7。

图7 较小倾角下计测部流动情况Fig.7 Flow at the test section of CWC with small inclinations

从图中可以观察到：同水槽在水平时的计测部波面相比，水槽在小角度（±0.1°）倾斜时，很难直观地观察到计测部流场的变化。为了研究小角度（±0.1°）倾斜对循环水槽流场的影响，现考虑通过监测计测部末端的顶板（图5）的压力变化来表征计测部的波浪变化。因为随着计测部的波面变化，顶板的压力值也会随之变化，二者在时域上的变化是相同的，因此可以通过压力的变化来表征计测部的流动在时域上的变化。

通过计算，得出了水平以及小角度倾斜下顶板压力随时间变化的曲线，如图8所示。

图8 不同倾角下顶板压力积分随时间变化曲线Fig.8 Curves of pressure integral on ceiling changing with time at various inclinations

从上图中可以观察到，压力平均值顺时针倾斜0.1°时最大，逆时针倾斜0.1°时最小，水平居中。当水槽顺时针倾斜时，顶板处的浸深会增大，这就造成了平均压力的升高，反之平均压力则减小，此结论对水槽顶板处的结构设计和校核具有一定的参考价值。另外，从图中可以观察到，压力变化随时间呈一定的周期性变化，这是由于计测部波浪的变化造成的，由此能够大致推断出自由面上的波浪周期。同时，在顺时针倾斜0.1°算例中，压力变化幅度较小，且周期较为均匀，这是由于顶板浸深较大，自由面波动影响较小造成的。

4 结论

本文应用数值计算研究了循环水槽分层流及倾斜对水槽计测部流场的影响，并对模拟结果进行了处理和比较，以期对循环水槽的开发和建造提供参考。研究得出的结论及建议如下：

1）同无隔板时相比，加入隔板后，隔板迟滞作用会使隔板附近流速减小，整段隔板情形尤为明显。

2）在船模实验区域，分段隔板和无隔板时速度均方差相近，能满足船模实验要求，而整段隔板较差。故隔板设计为分段式最佳。

3）循环水槽在较大倾角（±1°）状态时，计测部波面变化较大，不利于实验进行，且会有气泡产生，对精度和观测产生较大影响，因此在安装时应确保水槽水平。

4）循环水槽在较小倾角（±0.1°）状态时，计测部波面变化不明显，波浪呈现一定的周期性，但顺时针倾斜时计测部末端顶板压力较大。

［1］许维德.建成循环水槽的回顾与展望［J］.哈尔滨船舶工程学院学报，1998（3）：11－16.

［2］夏君培，余贵勤.立式循环水槽模型性能的实验研究［J］.镇江船舶学院学报，1989，3（3）：55－59.

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［6］陈作钢，马宁，桥诘泰久，等.循环水槽中分层流模拟试验与CFD研究［C］／／第二十一届全国水动力学研讨会暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集.济南：“水动力学研究与进展”杂志社，2008.

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参考文献：

Design of Separators in Circulating Water Channel and Research on Inclination Effect

Li Jin－cheng1Chen Zuo－gang1Xu Li1Hashizume Yasuhisa2
1 School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China 2 West Japan Fluid Engineering Laboratory Co Ltd.，Nagasaki 8570401，Japan

Compared with conventional towing tank，Circulating Water Channel（CWC）has many advantages.It is being widely used in developing ship hull form and on research of hydrodynamic performance of ships.The CWC adopts separators to simulate multi－layer flow in the oceanic environment.However，they may destroy the flow uniformity at the test section in some degree because of the retardation.The CWC in the cases of no separator，integrated separator and piecewise separator were simulated and results show piecewise separator is optimal.On the other hand，high standards of horizontality are required as a basic laboratory facilities.But the inclination caused by installation error and uneven sedimentation would ruin the high quality of the flow field at the test section.CWCs at large angles were simulated and the results show that wave patterns changes a lot and air bubbles will ruin the experiments.However，changes are not significant at very small angles of inclination.The present numerical results provide some recommendations to the design of CWC.

circulating water channel；numerical simulation；separator；inclination

U661.74

：A

：1673－3185（2011）04－78－05

2010-12-09

上海交通大学985二期能力建设项目“风洞循环水槽”

李金成（1987－），男，硕士研究生。研究方向：计算流体力学。E-mail：bigboy315＠sjtu.edu.cn

陈作钢（1967－），男，研究员，博士生导师。研究方向：计算流体力学、风洞循环水槽研发。E-mail：zgchen＠sjtu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.017