循环水槽中分层流模拟试验与CFD研究

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集

循环水槽中分层流模拟试验与CFD研究

陈作钢1马宁1桥诘泰久2渡边幸英2松井志郎2（1. 上海交通大学，上海，200030； 2. 西日本流体技研株式会社，日本长崎，8570401）

摘要：风洞循环水槽作为上海交通大学船舶与海洋工程国家实验室的重要的教学与研究设施之一，目前正积极筹备建设中。该风洞循环水槽由低速风洞和分层流循环水槽两部分构成。为了模拟海洋环境中因海水浓度不同而形成的分层流，拟在普通循环水槽中设置分隔板。为考察初步设计方案的有效性，进行了水槽试验和CFD计算的比较研究。研究结果表明：新型循环水槽中设置的分隔板对计测部流动的均一性有较大影响。低水位的条件下，流速较大时，不易满足分层流试验的要求；而流速低于0.3m/s的情况下，水面平滑、流速均匀，可较好地模拟分层流。本研究为新型循环水槽的设计建造提供了参考依据。

关键词：循环水槽；分层流；CFD

1 引言

1.1 研究背景

中国经济的迅速崛起和全球航运市场的迅猛复苏,极大地刺激了国内外航运和造船市场, 世界造船中心正加速向中国转移，中国已经成为全球重要的造船中心之一。船舶工业作为国家支柱产业，按照我国到2015年成为世界第一造船集团的战略要求，正面临着前所未有的机遇和挑战。然而，与世界造船强国相比，我国的造船工业还存在着造船技术相对落后、技术创新能力不足等发展瓶颈，严重影响了产业的经济效率。船舶工业要适应对船舶安全、环保、节能、舒适性能要求不断提高的市场需求，按照船舶大型化、高速化、智能化的技术发展方向，提高产品优化设计和开发创新水平。因此，建立相应的重大科学装置、提升理论分析计算水平，具有重要的意义。

2006年底，科技部启动上海交通大学“船舶与海洋工程国家实验室”的建设，目前正积极筹备建设中，而作为本学科重要的教学与研究设施之一的风洞循环水槽也已经通过专家论证即将启动，建成后将填补我国船舶与海洋工程研究设备的一项空白。该装置将在前沿探索性基础研究及工程开发研究中发挥重要作用，并且为开展船舶与海洋工程学科以及土木、建筑、机械、水产、水利等工程学科的跨学科研究提供理想的平台。

如图1所示，该风洞循环水槽由低速风洞和分层流循环水槽两部分构成，二者相互关联，形成风、浪、流及分层流环境条件下船舶与海洋结构物的流体动力性能试验能力，同时具备

- 417 -

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集

低速风洞的功能。该装置的突出优点是可以实现流体动力及精细流场的长时间、多目标、自动化测量，并且能够方便地实现流场的多种可视化，是传统试验装置所无法比拟的，特别适合于开展新船型开发、船型优化等研究；其独特之处在于能够模拟分层流、内波、不规则波浪及变动风所形成的复杂海洋环境，可开展海洋环境非线性相互作用、内波及其作用机理、涡激振动机理、流固耦合机理等基础研究，以及船体及其附体水动力性能和流场信息的同步精细测量与分析、海洋平台及其立管和系泊系统在内波作用下的运动及流体动力响应等应用基础研究。除此之外，该装置还可用于船舶推进及操纵装置、水下运载器、海上风力发电装置以及帆船、游艇等的试验研究与产品开发预研。

图1 风洞循环水槽构想图

1.2 循环水槽的一般介绍

由于开发成本低、试验周期短、观测计量容易、省人力化等优点，循环水槽已被日、韩等造船先进国家广泛地用于船型开发和船舶水动力学性能试验[1]。代表性的垂直型循环水槽如图2所示。位于CS9～CS1间的水泵叶轮由电机驱动，将水流沿扩张段（CS1～CS2间）推向下游；水流流经第三转角（CS2～CS3间）和第四转角（CS3～CS4间）后，顺次流过蜂巢（Honey comb）等整流装置区、管嘴状收缩段（nozzle）、表面流加速区，进入计测部；最后流经第一转角（CS6～CS7间）、第二转角（CS7～CS8间）和位于推进器上游的收缩段（CS8～CS9间），完成一周循环。为减少流动分离的发生，在4个转角处都设置了导向叶片。为使计测部的水流平稳，在第四转角的上部设有真空盒，循环水槽工作时，该处的压力值被调至低于大气压。在测试部的上游，一般设置表面流加速装置以抵偿水槽外层壁面造成的速度亏缺。有的水槽在第一转角的上部设有气泡排出口以有效地减少气泡混入。从计测部的两侧和底部的透明玻

- 418 -

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集

璃可以很方便地进行流动观察。

1.3 新型循环水槽的特点及研究内容

拟建的循环水槽最高设计流速为2.5m/s，计测部大小为长8.0m×宽3m×水深1m。除常规循环水槽主要应保证的计测部流速的均匀性和基本水平的自由面外，针对风洞循环水槽的特殊点，必须重点考察：新增的隔板对计测部水流的影响、内波发生器的最佳设计问题、自由面上方风速的均匀性问题、风浪流联合作用时相互影响等问题。这种新型循环水槽属国内首创，在国际上也十分罕见。该试验装置的设计上无现成案例可供参考，客观上造成了该装置的设计面临很大困难。这些问题用传统的经验设计[2,3]难以解决，而全部依赖试验来研究又受时间和成本等因素的限制。近年来，将CFD技术运用于循环水槽的优化设计已取得了瞩目的成就[4]。因此，运用CFD计算配合适当的试验来进行系统研究，有望从根本上掌握该试验装置内部的流动机理，达到最好的设计效果。

图2 垂直型循环水槽示意图

为了模拟海洋环境中因海水浓度不同而形成的分层流，拟在普通循环水槽中设置分隔板，即除计测部外将水槽分隔成内外基本相等的两部分，用上下两套共四只水泵叶轮推动。分层流试验时，在上下两层分别注入淡水和盐水。为应对不同的淡水层厚度，有时必须降低外层的水位，这有可能导致计测部的流动不稳定、难以实现理想的实验环境。为考察初步设计方案的有效性，进行了水槽试验和CFD计算的比较研究。

- 419 -

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集

- 420 -

2 试验研究

试验在西日本流体技研株式会社的第2循环水槽中完成。该水槽的计测部的尺寸为长6m ×宽2m ×水深1m 。计测事项是制波板下游1m 、宽度方向正中一点的自由面的垂向变动。水位设为两种：即正常1m 水位和0.95m 水位，流速分为0.2m/s 、0.3m/s 、0.4m/s 、0.5m/s 、0.6m/s 等5种，合计10种情况。

选取其中的4种试验结果分析见图3至图6。在1m 水位时，0.3m/s 和0.6m/s 流速下水面都能保持平滑。而图5和图6的比较可知，在0.95m 水位时，0.3m/s 的流速下水面可以保持平滑，但0.6m/s 时水面上波纹明显。

图3计测部自由面的摄影

图4计测部自由面的摄影

(水深1m 、流速0.3m/s) (水深1m 、流速0.6m/s)

图5 计测部自由面的摄影

图6 计测部自由面的摄影

(水深0.95m 、流速0.3m/s) (水深0.95m 、流速0.6m/s)

图7显示上述4种情况下计测点的水位随时间的变化幅度分别约为0.2mm 、0.9mm 、

0.3mm 、11mm 。试验全部10种情况下水位的变化幅度见图8，在正常水位1m 的条件下，水位变化幅度随流速缓慢增加；而0.95m 水位时，流速超过0.3m/s 时计测点的水位变化幅度随流速急速增加。