《船塢廊道虹吸灌水系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)》9800字（論文）

船塢廊道虹吸灌水系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u17191第1章緒論 1267061.1研究背景 153411.2船塢的由來 253221.3船塢廊道灌水系統(tǒng) 2141481.4本文主要研究工作 34165第2章船塢設(shè)施與技術(shù)要求 336822.1船塢工藝設(shè)施及設(shè)備 3228742.2規(guī)范要求 3180402.3船塢虹吸灌水系統(tǒng)的水力指標(biāo) 4315542.4試驗(yàn)內(nèi)容 530182第3章船塢廊道虹吸灌水系統(tǒng)優(yōu)化方案 5211563.1相似準(zhǔn)則與優(yōu)化原則 5203173.2原設(shè)計(jì)方案 6300873.3優(yōu)化方案 6282803.4駝峰處負(fù)壓值的優(yōu)化與計(jì)算 8163903.5虹吸灌水時(shí)間、過流能力及流量系數(shù) 10230833.6本章小結(jié) 1121373第4章船塢灌水系統(tǒng)的優(yōu)化分析 12296184.1虹吸原理及形成條件 1210954.2虹吸原理的應(yīng)用 12322214.3船塢虹吸灌水的形成 13210644.4虹吸破壞情況 1420384.5虹吸廊道各部分水頭損失 14109584.6虹吸灌水廊道的優(yōu)化 158335第5章總結(jié) 156135參考文獻(xiàn) 16第1章緒論1.1研究背景船舶工業(yè)指的是水上交通運(yùn)輸、海洋資源綜合開發(fā)和從事國防建設(shè)的一種新型現(xiàn)代化船舶加工產(chǎn)業(yè),船舶工業(yè)對于促進(jìn)鋼鐵、化工、輕紡、設(shè)備配件制造、電子信息等重點(diǎn)加工行業(yè)，起到了較強(qiáng)的政策引領(lǐng)、協(xié)調(diào)發(fā)展和帶動(dòng)性的作用,促進(jìn)了國際貿(mào)易的發(fā)展,是促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)快速增長的重要支柱。現(xiàn)如今，船舶制造行業(yè)的技術(shù)發(fā)展的成熟程度，己經(jīng)逐漸成為我們衡量一個(gè)發(fā)達(dá)國家的工業(yè)進(jìn)步程度、經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及船舶科技自主創(chuàng)新能力的一個(gè)重要指標(biāo)。這就是當(dāng)前我國如何加快建設(shè)和振興現(xiàn)代化裝備制造業(yè)、促進(jìn)關(guān)鍵領(lǐng)域現(xiàn)代化重大科技裝備的自主生產(chǎn)和制造,從而成為我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要內(nèi)容之一。在我國用于修、造大型船舶工業(yè)、軍用船舶或者部分民用船舶的船塢建筑物屬于水工土木建筑物的一種，船塢建筑物是用于生產(chǎn)船舶基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施、組裝船舶和維修船舶的重要組成部分，是船舶工業(yè)發(fā)展不可缺失的一部分。一個(gè)國家的生產(chǎn)能力和科技發(fā)展先進(jìn)程度決定船舶工業(yè)的工藝水平，反過來看，一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)情況也可根據(jù)船舶工業(yè)的發(fā)展程度看出,但也不是絕對。按照德國設(shè)計(jì)師的方法,將船塢整體劃分成三種主要的船塢，分別為干式造船塢,注水加工船塢和浮動(dòng)注水船塢。干式造船塢主要應(yīng)用的領(lǐng)域范圍比較廣泛,一般我們通常稱呼的船塢為干式造船船塢。1.2船塢的由來從人類誕生以來就一直離不開水，有了水，就形成了江河湖海。根據(jù)歷史研究,在新石器時(shí)代,人們就已經(jīng)廣泛使用木舟和筏子捕魚，隨后發(fā)明了木船和帆船等。隨著用船的需求增加，船的功能也越來越強(qiáng),種類也越來越多,造船技術(shù)也得到了巨大的進(jìn)步。雖然我國的造船工藝和技術(shù)一直處于快速進(jìn)步,但是船舶的生產(chǎn)過程速度極為緩慢,而且養(yǎng)護(hù)維修也十分困難、修船所需要的時(shí)間也長,所以成本也就很高。直到公元977年,張平的出現(xiàn)才開始慢慢改變了這種困境。張平出生于公元925年山東省濰坊市,公元977年,當(dāng)任陽平鎮(zhèn)造船廠的供奉。由于當(dāng)時(shí)條件有限,大家只能在渭河邊造船，河水很容易將船只沖涮壞或者沖走,使得每年造船都需要消耗大量錢財(cái)和人力,張平上任之后,便派人在造船的岸邊挖了個(gè)大坑,讓工人們從今往后在坑中修造船只,船只修造好以后,便派人在大坑處挖開一道口將河水引進(jìn)坑里面,使船漂起來,順利駛?cè)牒又?這種大坑,后來被稱之為“船塢”。船塢是造船廠中用來修理、造船舶的工作場地。1.3船塢廊道灌水系統(tǒng)由于灌水廊道布置位置不同，灌水方式不同，灌水系統(tǒng)就不同，我們通常將船塢灌水系統(tǒng)分為兩大類，分別為頭部灌水系統(tǒng)和分散灌水系統(tǒng)。一般把船塢灌水廊道和設(shè)備、設(shè)施布置在船塢與陸地相連接的位置處的灌水系統(tǒng)稱為頭部灌水系統(tǒng)，而分散灌水系統(tǒng)一般是將灌水廊道和閥門布置在船塢與陸地相接的位置處，其他設(shè)備設(shè)施則布置在塢墻或者底板處[1]。在現(xiàn)代化船塢灌水系統(tǒng)中一般多采用頭部灌水系統(tǒng)，頭部灌水系統(tǒng)主要有三種布置方案：短廊道灌水、塢門灌水和虹吸廊道灌水。上述三種不同灌水方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，短廊道灌水一般在塢口處布置灌水廊道，利用塢室內(nèi)外水位差來灌水，一般在廊道內(nèi)設(shè)有消能措施，這樣方便管理和可以充分利用起始水頭，縮短灌水時(shí)間，但施工困難，投資較大，而且不方便安裝檢修；塢門灌水是在塢門處設(shè)置控制閥向塢室內(nèi)灌水的輸水管道，塢門灌水水流條件較為苛刻，不能充分利用起始水頭，灌水時(shí)間較長，但塢門灌水結(jié)構(gòu)簡單，安裝檢修方便，投資??；虹吸廊道灌水是利用虹吸管將船塢連接起來，虹吸廊道灌水與其他兩種相比，它不僅結(jié)構(gòu)簡單、管理方便，而且不需要很苛刻的水流條件，還可以迅速斷流，但缺點(diǎn)也很明顯，就是設(shè)計(jì)較為困難，且設(shè)計(jì)時(shí)還需借助模型試驗(yàn)。1.4本文主要研究工作本文通過對修、造船塢模型的虹吸灌水方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對其原有廊道灌水方式進(jìn)行了優(yōu)化,研究的內(nèi)容主要包括：虹吸灌水在形成時(shí)下游管道部分水面的高度；虹吸廊道灌水在形成過程中駝峰處的水流狀態(tài)以及真空泵在呼出口時(shí)所產(chǎn)生的流量；駝峰點(diǎn)所在地區(qū)的流速、負(fù)壓；虹吸給排水管的灌溉流道各個(gè)組成部件的阻力;虹吸給排水灌溉的流量等。第2章船塢設(shè)施與技術(shù)要求2.1船塢工藝設(shè)施及設(shè)備船塢作為現(xiàn)代化造船廠的核心，對于國內(nèi)船舶工業(yè)發(fā)展起到了重要作用，從船舶行業(yè)發(fā)展的進(jìn)程來看，降低生產(chǎn)成本，提高造船質(zhì)量，是船舶行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果和要求。隨著造船技術(shù)的發(fā)展，敏捷造船、精益造船已成為我國造船企業(yè)未來的發(fā)展方向,船體建造精度管理越來越重要，有關(guān)其理論和方法的探索,越來越豐富，對修造船塢的要求也越來越高。船塢的工藝設(shè)施主要包括：塢門、引船系統(tǒng)、起重設(shè)施、墩木、系船柱、船塢公用設(shè)施、塢長度標(biāo)志、水尺等。船塢塢門主要有四種形式，分別為：（1）臥倒式塢門，臥倒式塢門開啟與關(guān)閉較為方便，不需要設(shè)置專用的停靠位置，但是需要設(shè)置專用的門坑；（2）浮箱式塢門，一般適用于有一定淤積量的水域，需要對塢門口淤積強(qiáng)度進(jìn)行測量；（3）中間塢門，通常只有將建造軍船和民船串接在一起等修造船周期較大的船塢才設(shè)有中間船塢；（4）插板式塢門，一般多適用于半塢式船塢和小型船塢[2]。2.2規(guī)范要求根據(jù)干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)代化船塢的灌水系統(tǒng)應(yīng)該滿足使用效率（時(shí)間）、安全性和協(xié)調(diào)性三個(gè)方面的要求。船塢的灌水時(shí)間主要由船塢的型式、用途設(shè)施布置方式等多方面決定的，灌水時(shí)間越短，流速越大，船塢的使用效率越高；反之，灌水時(shí)間越長，流速越小，使用效率便越低。為了增加船塢的使用效率，一般采取減少灌水時(shí)間來增大流速的措施，但由于流速過大，會對灌水廊道和閥門產(chǎn)生沖刷，影響船舶泊穩(wěn)和造成安全隱患。所以船塢灌水不能單方面考慮使用效率，同時(shí)還要考慮廊道與塢室的安全性。造船塢灌水時(shí)間一般為3～5小時(shí)，排水時(shí)間為4～10小時(shí)，而修船塢灌水和排水時(shí)間則分別為1～2．5小時(shí)和3～4小時(shí)。虹吸廊道灌水系統(tǒng)一般采用雙側(cè)或單側(cè)的灌水方式；雙側(cè)同時(shí)灌水時(shí)，灌水時(shí)間不超過2小時(shí)，為保留安全,試驗(yàn)廊道兩側(cè)灌水的灌水時(shí)間一般不超過1.7小時(shí)，實(shí)際工程中灌水時(shí)間根據(jù)模型試驗(yàn)得出，并且在船塢灌水時(shí)，應(yīng)該保證船舶起浮的穩(wěn)定性，泵房應(yīng)布置在塢口附近位置，并且泵房進(jìn)入口、通風(fēng)口等結(jié)構(gòu)不能超過地面，塢底處需設(shè)有排水溝，排水溝上鋪設(shè)鋼板，以滿足高空作業(yè)車工作時(shí)的荷載。根據(jù)安全性的角度來看，船塢灌水系統(tǒng)應(yīng)考慮以下三點(diǎn)要求：(1)水流速度不宜過快、真空值不宜過低，流速過快或真空值太低會引起震動(dòng)，對船塢設(shè)備造成損壞，所以船塢本身材質(zhì)要好;（2）在灌水過程中，為了使船塢成功起浮，要保證水流流態(tài)良好，并設(shè)有消散能量的措施；(3)為了提高使用效率，船塢灌水系統(tǒng)不應(yīng)滲漏、滲水，船塢設(shè)施應(yīng)該具有很好的水密性，并且灌水時(shí)開啟能力必需良好，以防止開啟不便導(dǎo)致船塢設(shè)備損壞等問題[3]。2.3船塢虹吸灌水系統(tǒng)的水力指標(biāo)虹吸式灌水廊道給我們帶來了很多方便，但也給船塢灌水帶來諸多問題，最為突出的問題便是：由于灌水廊道彎曲程度較大，使灌水流量、駝峰處的負(fù)壓值等水力指標(biāo)并不滿足規(guī)范要求，灌水時(shí)間應(yīng)滿足船廠的工作要求，但是，由于虹吸水流通道的形狀，特殊的局部水頭損失占主導(dǎo)地位，決定了整個(gè)水力技術(shù)指標(biāo)。船塢虹吸灌水系統(tǒng)對灌水時(shí)間、駝峰斷面負(fù)壓、進(jìn)出口流速、進(jìn)出口水位、廊道流型等參數(shù)要求較高。特別是在船塢工業(yè)中，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，對灌水時(shí)間和灌水系統(tǒng)運(yùn)作的水位的要求都很高，這對虹吸灌水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。船塢灌水時(shí)，由于水流高速?zèng)_刷廊道，使灌水廊道及其設(shè)備容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲導(dǎo)致空化現(xiàn)象的發(fā)生，為了改善船塢灌水時(shí)產(chǎn)生的水力特性問題，必須避免駝峰段負(fù)壓過大造成空化流動(dòng)和流速太快造成的空化現(xiàn)象[4]。2.4試驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)山海關(guān)船廠15萬噸級修船試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得知船塢塢長340m,塢寬64m,塢底標(biāo)高-9.3m,塢頂標(biāo)高3.5m。校核高潮位2.54m,設(shè)計(jì)高潮位1.76m,船舶進(jìn)出塢正常潮位1.00m,虹吸管內(nèi)壁駝峰頂標(biāo)高4.30m,駝峰底標(biāo)高2.80m。本次試驗(yàn)內(nèi)容包括：①對船塢虹吸式灌水廊道進(jìn)行優(yōu)化整改；②研究船塢灌水時(shí)虹吸的形成、虹吸形成時(shí)下游水面上升高度、虹吸形成過程中駝峰位置處的水流情況；③虹吸形成時(shí)駝峰處的流速分布、壓強(qiáng)分布等指標(biāo)；④灌水過程中船塢塢室的水流穩(wěn)定情況；⑤虹吸的破壞情況；⑥虹吸灌水的流量及塢室水位；⑦船塢灌水廊道各部分的水頭損失情況[5]。第3章船塢廊道虹吸灌水系統(tǒng)優(yōu)化方案3.1相似準(zhǔn)則與優(yōu)化原則優(yōu)化原則：由于考慮到灌水開始時(shí)塢室的水位最低,隨著塢室水位的逐漸提高,駝峰負(fù)壓降低，滿足不了船塢設(shè)計(jì)規(guī)范，但船塢灌水廊道駝峰處負(fù)壓值過高時(shí)，會對船塢灌水廊道產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，便會加快船塢設(shè)施的損壞，帶來更多的經(jīng)濟(jì)損失，所以，在實(shí)際工程中，在保證虹吸灌水廊道駝峰處負(fù)壓值滿足船塢設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下,應(yīng)盡量加大灌水廊道流量系數(shù)以取得船塢的灌水時(shí)間最短，采取降低駝峰處負(fù)壓值的措施來提高使用效率[5]。相似準(zhǔn)則：在虹吸灌水過程中，起到主要作用的力是重力和阻力，且虹吸灌水水流為非恒定流。所以，根據(jù)重力和阻力相似準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在符合設(shè)計(jì)規(guī)范與安全的前提下，充分利用水頭作用，提高船塢灌水的使用效率，減少工程經(jīng)濟(jì)的投資。本次試驗(yàn)選定的幾何比尺λL=20。相應(yīng)的原型和模型各對應(yīng)物理量之間的比例關(guān)系為:流速與時(shí)間比尺：λv重量與力的比尺:λG=λF=λρλL3=8000流量比尺:λQ=λL2.5=1788.85壓強(qiáng)(水頭)比尺:λP=λρλL=20糙率比尺:λn=λL1/6=1.648功率比尺:λN=λ密度比尺λρ≈1.0，本次試驗(yàn)采用淡水介質(zhì)。對于船塢灌水廊道模型，由于糙率不同，制造出的模型的水力指標(biāo)與船塢設(shè)計(jì)規(guī)范就不相同，為了制造出模型的水力指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)盡量采用與設(shè)計(jì)規(guī)范相似的糙率來制造模型，這里我們采用的是有機(jī)玻璃，因?yàn)橛袡C(jī)玻璃的粗糙率n=0.0079，換算成原型的粗糙率n=0．0125之后，便與鋼管的粗糙率n=0．01l、混凝土管道的粗糙率n=0．014均比較接近，滿足船塢灌水廊道的設(shè)計(jì)規(guī)范[6]。3.2原設(shè)計(jì)方案當(dāng)船塢灌水時(shí)，灌水廊道初始寬度保持不變，但隨著灌水廊道逐漸彎曲，寬度逐漸減小，在駝峰處到達(dá)最小值，當(dāng)水流過了駝峰位置時(shí)，寬度又逐漸恢復(fù)到原來的初始寬度（這里所說的寬度都是沿灌水廊道垂直方向的寬度），最初的虹吸廊道設(shè)計(jì)方案（如圖3-1所示）初始寬度為1.50m，駝峰處最小寬度為0.95m，駝峰底部高程4.85m，駝峰頂部高程為5.80m[6]。圖3-1方案一灌水流道剖面圖(長度單位：mm；高程單位：m）3.3優(yōu)化方案根據(jù)山海關(guān)船廠15萬噸級修船塢模型試驗(yàn)，對上述方案灌水廊道進(jìn)行優(yōu)化改善，確定優(yōu)化方案二，如圖3-2所示，方案二的廊道駝峰頂部高程與原方案的廊道駝峰頂部高程保持相同。優(yōu)化方案在原方案的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了以下幾點(diǎn)：①由于駝峰斷面處負(fù)壓太大的問題，降低了駝峰底的高程，降低了0．5m，為4.35m；②將灌水流道逐漸減小的斷面改為1．50m等寬斷面；③由于水流動(dòng)的特性，可能在進(jìn)水口處產(chǎn)生漩渦，為了防止進(jìn)水口產(chǎn)生漩渦的可能性，在進(jìn)水口處設(shè)置攔污柵，用這種方式來增加進(jìn)水口的淹沒深度。進(jìn)水口攔污柵邊框厚0．12m，一共有4條爛污柵，每根柵條厚0.04m，間距0.15m，沿水流方向的長度為0．15m；④在廊道內(nèi)部增加整流墩，來調(diào)節(jié)灌水廊道出口處流速不均勻的狀況，灌水廊道一共布置8個(gè)整流墩，分為兩列，每列有4個(gè)，每個(gè)整流墩之間距離均為lm；⑤為避免因負(fù)壓過大、通氣不便導(dǎo)致灌水流量減小，在閥門后增加通氣孔，來減小負(fù)壓和增大灌水流量。如圖3-3所示。圖3-2方案二灌水流道剖面圖(長度單位：mm；高程單位：m)圖3-3方案二虹吸灌水流道進(jìn)口攔污柵尺寸圖(單位：m)圖3-4方案二整流墩布置圖(單位：mm）方案進(jìn)水口高程（m）駝峰底高程（m）駝峰頂高程（m)駝峰斷面高度（m)攔污柵整流墩通氣孔一-1.14.855.80.95沒有沒有沒有二-1.64.355.851.5有有有表3-1方案一與方案二試驗(yàn)優(yōu)化對比3.4駝峰處負(fù)壓值的優(yōu)化與計(jì)算灌水廊道駝峰處的負(fù)壓值是船塢灌水系統(tǒng)的重要水力指標(biāo)之一，為防止產(chǎn)生氣蝕，根據(jù)《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，虹吸廊道灌水系統(tǒng)的控制閥門后最大負(fù)壓值不能超過49KPa，相當(dāng)于7―8m的水柱。減小負(fù)壓值的措施：①降低閥門的高程；②加大閥門處的阻力系數(shù)或減小水流流速；③增大閥門開啟時(shí)間。（2）負(fù)壓值的計(jì)算20世紀(jì)70年代，山海關(guān)船廠采用小型虹吸式廊道灌水，大大增加了山海關(guān)船廠使用效率，在此基礎(chǔ)上，水力學(xué)的專家和船舶方面的工程師對山海關(guān)船廠新建的15萬噸級修船塢采用的虹吸式廊道灌水系統(tǒng)出現(xiàn)的諸多負(fù)面問題進(jìn)行研究，最后優(yōu)化了船塢虹吸式灌水系統(tǒng)并對相應(yīng)的問題采取有了效措施。1985年，水力學(xué)的專家對虹吸管駝峰斷面壓強(qiáng)分布特性的研究，最后得到其流速分布公式為：u=m／rm為待定常數(shù)；r為灌水廊道虹吸管的曲率半徑。在上述流速公式的假定基礎(chǔ)上，通過積分N—S方程，化簡求解出虹吸管道駝峰斷面上的壓強(qiáng)計(jì)算公式為：式中：—距離彎道中心曲率半徑處的壓強(qiáng)水頭；—駝峰斷面形心點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭(不考慮駝峰彎道影響用能量計(jì)算的）；γ—液體的容重；R—道中心線的曲率半徑；R1—道內(nèi)壁的曲率半徑；R2—道外壁的曲率半徑；r—半徑；b—矩形斷面的高度(對于圓管可近似代表直徑)；ν—面平均流速。在船塢灌水時(shí)，由于灌水水頭太大會造成灌水流速太大，從而導(dǎo)致駝峰處的負(fù)壓值太高，影響船塢灌水時(shí)的效率和船塢設(shè)備損壞，但是在船塢灌水系統(tǒng)中流速和駝峰處負(fù)壓值為因果關(guān)系，因此控制了灌水流速也就控制了駝峰處的負(fù)壓值，反過來控制駝峰處負(fù)壓值也能控制灌水流速。一般在實(shí)際工程中，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和船塢設(shè)備不被沖刷損壞的前提下，為了提高船塢的使用效率，也可以采取加大灌水流速或降低駝峰處負(fù)壓值的措施。根據(jù)原方案與優(yōu)化方案的不同海側(cè)水位，計(jì)算出虹吸灌水流道駝峰項(xiàng)和駝峰底負(fù)壓最大值（表3-2所示）。原方案（方案一），海側(cè)水位分別為0．55m、1．95m和3．12m時(shí)，駝峰頂負(fù)壓9．52m～9．86m水柱，駝峰底負(fù)壓都超過10m水柱，負(fù)壓值均不符合規(guī)范要求。方案二海側(cè)水位保持不變，對原方案其余進(jìn)行優(yōu)化后，駝峰頂部和駝峰底部最大負(fù)壓值均符合規(guī)范要求。海側(cè)水位（m)方案一方案二駝峰底部負(fù)壓值

（m水柱）駝峰頂部負(fù)壓值

（m水柱）駝峰底部負(fù)壓值

（m水柱）駝峰頂部負(fù)壓值

（m）水柱3.12>109.636.296.251.95>109.876.836.960.55>109.547.497.82表3-2虹吸灌水流道駝峰處負(fù)壓值3.5虹吸灌水時(shí)間、過流能力及流量系數(shù)(1)虹吸過流能力根據(jù)模型試驗(yàn)的原理，在模型試驗(yàn)測量中，已知原方案海側(cè)水位分別為3．12m、1.95m、0.55m時(shí)，測得對應(yīng)的最大流量分別為42．40m3／s、39．68m3／s、35．00m3／s，優(yōu)化方案海側(cè)水位分別為3.12m、1.95m、0.55m時(shí)，相應(yīng)的最大流量41．75m3／s、39．23m3／s、34．66m3／s，由此得出當(dāng)灌水廊道開始灌水，剛剛形成虹吸的時(shí)候，船塢的過流能力最大。（2）流量系數(shù)流量系數(shù)計(jì)算公式：式中：μ-流量系數(shù)；流道出口斷面面積(取駝峰斷面，面積6m2)；H-作用水頭，海側(cè)水位與塢室水位之差。將上述原方案對應(yīng)最大流量和海側(cè)水位帶入流量系數(shù)計(jì)算公式中，通過計(jì)算得出原方案的流量系數(shù)在0．51～0．54范圍內(nèi)，同理，優(yōu)化方案的流量系數(shù)在0．53～0．56范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。虹吸灌水時(shí)間根據(jù)干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范，在保證船廠工作時(shí)間要求的前提下，船塢灌水時(shí)間盡量保持最小值，以提高船塢使用效率，通過灌水時(shí)間公式可以算出船塢具體的灌水時(shí)間，用以比較兩種方案的使用效率。灌水時(shí)間公式：式中：T-灌水時(shí)間；Ω-塢室平面面積；H1-灌水開始時(shí)海側(cè)水位與塢室水位差；H2-灌水結(jié)束時(shí)海側(cè)水位與塢室水位差;μ-流量系數(shù)；A-流道出口面積[6]。根據(jù)上述兩種方案的流量系數(shù)和最大流量表明，兩種方案在過流能力上并無明顯差異，由灌水時(shí)間公式計(jì)算出兩種方案的灌水時(shí)間也基本相同，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，如表3-3所示。表3-3塢室灌水時(shí)間3.6本章小結(jié)本章對船塢灌水系統(tǒng)原方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)了灌水廊道駝峰處的負(fù)壓值，灌水的時(shí)間，并在原方案的基礎(chǔ)上增加了攔污柵、整流墩和通氣孔，改善了塢室灌水流道出口的速度不均勻的情況。第4章船塢灌水系統(tǒng)的優(yōu)化分析4.1虹吸原理及形成條件船塢虹吸式廊道灌水就是利用虹吸原理的一種灌水方式，虹吸原理是由于液面高度差的產(chǎn)生的作用力現(xiàn)象。虹吸的產(chǎn)生是將一種液體介質(zhì)充滿一根倒U型的管結(jié)構(gòu)內(nèi)后，將U型管口高的一端置于裝滿液體的容器中，由于液面高度差的原因，容器內(nèi)的液體持續(xù)通過虹吸管向低口的位置流出。虹吸的實(shí)質(zhì)是因液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)而產(chǎn)生。船塢虹吸廊道灌水就是利用虹吸原理向塢室輸水的一種灌水型式，若需要灌水時(shí)，必須使用真空泵抽氣使管道內(nèi)出現(xiàn)壓強(qiáng)差，從而造成虹吸現(xiàn)象；一般將設(shè)置在虹吸段頂部的空氣閥開啟便能停止向船塢塢室灌水[7]，特殊情況除外，例如，有的時(shí)候由于空氣進(jìn)入其中無法形成壓強(qiáng)差，就會中斷虹吸作用，因此不用設(shè)置閥門來中斷灌水。利用虹吸原理必須滿足以下三個(gè)條件：①內(nèi)因，出水口水位必須比容器水位低；②外因，虹吸管最高點(diǎn)離容器上段面的水面高度不能超過大氣壓支持的水柱高度；③觸發(fā)條件，虹吸管內(nèi)必須先裝滿水流或者其他液體。圖4-1虹吸式灌水流道示意圖4.2虹吸原理的應(yīng)用在我國古代人們就已經(jīng)開始利用虹吸原理來進(jìn)行灌溉，但最早將虹吸的原理應(yīng)用到房屋建筑的雨水排水系統(tǒng)是瑞典的科學(xué)家。現(xiàn)在，虹吸原理在生活、工程、醫(yī)療等各方面均有應(yīng)用，其中工程應(yīng)用更為廣泛。虹吸原理的應(yīng)用給我國帶來了諸多方便，在化工生產(chǎn)中，利用虹吸作用可以節(jié)約成本，降低能量消耗；在生活中常見的抽水馬桶、凈水器，洗浴器具等都有利用了虹吸作用；醫(yī)療中，最常見的就是輸液裝置、靜脈穿刺等；工程中，列如小型水庫的除險(xiǎn)加固、發(fā)電站引水發(fā)電、建筑物的灌排水系統(tǒng)等都應(yīng)用了虹吸原理，虹吸原理在南水北調(diào)工程也起到了一定作用。4.3船塢虹吸灌水的形成灌水廊道的虹吸形成過程：真空泵尚未開始抽氣的時(shí)候，不存在壓強(qiáng)差，所以船塢灌水廊道內(nèi)上行段的水位與外側(cè)海水水位位相同，下行段的水位與消散能量段隔墻內(nèi)的水位保持相同。當(dāng)開啟真空泵后，駝峰段的大氣壓強(qiáng)減小，船塢灌水廊道內(nèi)上下游水位都開始上升，由于上升和下降水位存在高度差，上水位比下水位先抵達(dá)駝峰底面，從而形成堰流，隨后下水位由于壓強(qiáng)差的原因，水流流速過快，在抵達(dá)駝峰處時(shí)會形成氣囊、氣泡，在此之后由于水力除氣效應(yīng)，使殘留在灌水廊道內(nèi)的空氣隨著水流的流動(dòng)被帶出管道，這形成了一個(gè)完整的虹吸過程。通過虹吸形成過程的描述，可以將虹吸的形成過程分為兩個(gè)階段：水面上升階段和水力挾氣階段（圖4-3、4-4虹吸形成過程圖）。第一階段于真空泵的開啟為開始，在駝峰段形成堰流時(shí)結(jié)束，第一階段特點(diǎn)是水流上升較為緩慢；第二階段于第一階段結(jié)束為開始，在灌水廊道內(nèi)形成虹吸時(shí)結(jié)束，第二階段特點(diǎn)是連續(xù)的水力除氣[8]。4-3水流上升階段4-4水流挾氣階段虹吸流的形成及其特征參數(shù)與下列物理量有關(guān)：P—水的密度；模型試驗(yàn)使用市政水，其與海水的密度差會對試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響；g—廣重力加速度，塢室存在自由液面，需要考慮重力作用；v—水的運(yùn)動(dòng)粘度，水的運(yùn)動(dòng)粘度不同對試驗(yàn)結(jié)果有微弱影響；Δp—廊道駝峰段的空氣壓力與大氣壓力之差，即真空度。在虹吸流建立的第一階段，水流尚未充滿駝峰斷面，其空氣壓力為P2，外部大氣壓力為Pa，ΔP=P2-Pa一層。真空泵在駝峰斷頂部產(chǎn)生的真空度越高，上行段水面上升就越快，形成虹吸的時(shí)間也越短；h—海水水位到駝峰段中心線的高度，h越小，真空狀態(tài)下船塢廊道形成虹吸的時(shí)間就越短。4.3.1虹吸的形成時(shí)間上述說到，虹吸灌水時(shí)間對船塢灌水系統(tǒng)的高效運(yùn)行有著重要意義，虹吸的形成時(shí)間同樣有著重要意義，實(shí)際工程中虹吸形成時(shí)間的測定十分困難，一般采取模型試驗(yàn)，方便測定。如下表4-1所示，在表4-1中給出兩種方案不同海側(cè)水位時(shí)形成虹吸所需時(shí)間。海側(cè)水位0．55m時(shí)，兩種方案都不能形成虹吸，對于海側(cè)水位0．55m工況在采取模型試驗(yàn)時(shí)，在保證抽吸真空時(shí)管道內(nèi)沒有空氣流入，可以適當(dāng)增加下游廊道儲水水位，來保證虹吸形成。海側(cè)水位為1．95m時(shí)，原方案與優(yōu)化方案形成虹吸所需時(shí)間分別為176s和184s，海側(cè)水位為3.12m時(shí)，原方案與優(yōu)化方案形成虹吸所需時(shí)間均為156s，兩種方案的虹吸形成時(shí)間基本無差別。海側(cè)水位（m）方案一虹吸形成時(shí)間（s）方案二虹吸形成時(shí)間（s）3.121561561.951761840.55不能形成虹吸不能形成虹吸4.4虹吸破壞情況在模型試驗(yàn)中破壞虹吸過程所需直徑為0.27m，破壞虹吸過程時(shí)灌水流道的振動(dòng)不明顯、噪聲不大，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果表明,虹吸破壞情況并不明顯。4.5虹吸廊道各部分水頭損失試驗(yàn)分別對三種海側(cè)水位虹吸灌水廊道沿程阻力(水頭損失)進(jìn)行了計(jì)算，水頭損失公式為：式中：λ為沿程阻力系數(shù)，v為段面平均流速，g為重力加速度。在灌水開始時(shí),作用水頭最大,流速最大，流道阻力沿程測點(diǎn)布置如下圖4-5所示，與此對應(yīng)的流道各部分水頭損失如下表4-4所示。圖4-5虹吸灌水流道沿程測點(diǎn)布置圖表4-4虹吸灌水廊道水頭損失表4.6虹吸灌水廊道的優(yōu)化根據(jù)模型試驗(yàn)將原方案與優(yōu)化方案進(jìn)行對比，對船塢虹吸灌水廊道進(jìn)行改善，在滿足《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》的前提下，保證工程質(zhì)量，應(yīng)盡量減少工程量，節(jié)省工程投資資金。對此有以下措施來優(yōu)化灌水流道：修改灌水廊道局部形狀，來滿足駝峰處負(fù)壓值；調(diào)整流道的半徑大小，以調(diào)節(jié)合適的作用水頭；增加新的消能防沖設(shè)施，來防止出口水流過大對塢室的沖刷；取消灌水流道收縮—擴(kuò)大型式；加大灌水流道水平出口段的尺寸，并在流道管壁側(cè)新增兩個(gè)立柱。第5章總結(jié)隨著理論知識與實(shí)驗(yàn)水平的提高,在借鑒了諸多前輩和專家的寶貴經(jīng)驗(yàn)后，我國船塢灌水技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，我國船塢灌水技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，通過不斷的摸索、創(chuàng)新，成功探索出一套完整可靠的灌水方式，對比以往的塢門灌水技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜,工程量較大,投資和試驗(yàn)費(fèi)用較高的問題，全新的灌水方式，不僅確保了工作安全的問題,解決了工程造價(jià)過高、工程量較大的問題，而且更加方便船塢的維修和更換。通過模型試驗(yàn)改善了原方案駝峰處負(fù)壓值超過規(guī)范的問題，為了防止進(jìn)水口產(chǎn)生水漩渦的情況，在虹吸灌水流道進(jìn)口增加了攔污柵，為了改善灌水系統(tǒng)流態(tài)和減小駝峰處負(fù)壓值的問題，增加了整流墩和消能格柵。結(jié)合實(shí)際工程,虹吸灌水系統(tǒng)應(yīng)滿足以下規(guī)范要求：保證虹吸灌水流道的工程質(zhì)量,盡量避免灌水流道產(chǎn)生坑洼、凹凸不平等問題;對進(jìn)口處要求更加嚴(yán)格等地方，可以采用特殊的混凝土材料來增加抗腐蝕能力;經(jīng)常清洗虹吸灌水流道進(jìn)口攔污柵,減少進(jìn)口水頭損失；總灌水時(shí)間不應(yīng)超過兩小時(shí)。此外,整流段的設(shè)計(jì),要留有適度的空間,以便設(shè)置整流、消能設(shè)施,增加阻力、調(diào)整流量系數(shù),控制駝峰斷面負(fù)壓，同時(shí)在整流段要留足一定水體,以保證形成虹吸灌水。參考文獻(xiàn)[1]趙鵬.船塢虹吸灌水廊道水力特性的研究[D].天津:天津大學(xué),2012.DOI:10.7666/d.D285939.[2]李偉.船塢工藝設(shè)施及其應(yīng)用[J].科學(xué)中國人,2016(12Z).[3]楊浩俊,陳立新.船塢灌水技術(shù)[J].水運(yùn)工程,2009(z1):108-114.DOI:10.3969/j.issn.1002-4972.2009.z1.021.[4]張效先,楊建華,白玉川.修、造船塢虹吸灌水流道的設(shè)計(jì)方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2006,39(2):204-208.DOI:10.3969/j.issn.0493-2137.2006.02.015.[5]白玉川,張效先.山海關(guān)船廠15萬噸級修船塢虹吸灌水水力模型試驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué),2003,7(4):36-49.DOI:10.3969/j.issn.1007-7294.2003.04.006.[6]譚茹.虹吸式灌排水系統(tǒng)水力特性研究[D].天津:天津大學(xué),2008.DOI:10.7666/d.y1530715.[7]趙鵬,白玉川.基于數(shù)值模擬的船塢虹吸灌