吸水井流场仿真分析

　　吸水井流场分布情况是影响水泵安全和高效运行的重要因素，因此在对“某海水淡化项目”的取水及预处理部分设计过程中，设计人员希望尽量减少取水廊道对吸水井内水流可能造成的涡旋影响。为验证和优化设计方案，本文应用 Fluent 对吸水井流场进行了仿真分析，从而为吸水井的设计及优化提供依据。

　　1 分析计算原理

　　为研究吸水井流场分布情况及吸水井中是否有涡旋产生，本研究采用 CFD (ComputationalFluid Dynamics)方法对吸水井整个流场进行模拟计算。吸水井内是一个复杂的三维湍流流动过程，采用标准 k-ε模型计算湍流脉动项，其流动控制微分方程见式(1)、式(2)。

　　连续性方程：

　　动量方程：

　　对于海水与空气的气液界面模拟采用 VOF 多相流模型，它是通过求解一套动量方程和跟踪穿过计算域的每一种流体的容积分数来模拟两种或多种不能混合的流体。其跟踪相之间界面是通过求解一相或多相容积比率的连续方程来完成的。对第 q 相，该方程见图 3。

　　2 吸水井流场分析模型

　　2.1 几何模型的建立和网格的划分

　　本文以某海水淡化工程吸水井为基础，对某些结构进行了简化，采用 Gambit 软件进行了三维模型的建立和网格的划分，其三维模型和网格划分示意图如图 1、2 所示。

　　其建模总网格数量为 1525802，其中最大网格体积为 1.3×10-2m3，最小网格体积为 2.2×10-5m3。

　　2.2 材料参数

　　吸水井海水密度为 1008 kg/m3，动力粘度为1.04×10-3kg/m.s;空气密度为 1.225 kg/m3，动力粘度为 1.789×10-5kg/m.s。

　　2.3 边界条件

　　入口边界条件采用速度入口，其流速为 1.83m/s;出口边界条件采用压力出口，出口总流量为5776 kg/s;吸水井初始水深为 5 m。忽略地球自转对涡旋的影响。

　　3 计算结果及分析

　　本节对两种工况下吸水井的流场分布进行了数值模拟并对其模拟结果进行了分析，主要研究了吸水井中涡旋的产生情况和两种工况下吸水井出口流场分布的不同。工况 1 为工作出水管为管 1 和管 3，工况 2 为工作出水管为管 1 和管 2。

　　3.1 工况 1

　　图 3 为吸水井的流场流线图，其中左上图为吸水井整体流场流线图，右上图为入口流线图，左下图、右下图分别为出口 1、出口 2 流线图。图中蓝色面表示水与空气的分界面，分界面下方是海水，上方是空气。从流场的流线图可知，吸水井整体流场分布较为均匀，水流流动较为平顺。从对吸水井入口流线图分析可知在入口处，海水流动较不稳定，有旋涡产生。通过隔墙对流场分布的改善，出水口附近流场分布较为均匀，流动较为平顺，基本没有旋涡产生。