船閘閘底長廊道輸水系統(tǒng)水力特性模擬研究

張慶亮，吳星

（1.中設科欣設計集團有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市公路與運輸管理中心，浙江 紹興 312000)

1 引言

船閘是幫助船舶克服水利樞紐集中水位落差的通航建筑物，閘室水流條件直接影響船舶停泊安全。隨著高壩工程的修建和通航需求的提高，船閘水頭越來越高，平面尺度增大，輸水流量隨之增大，使得閘室水流紊動加劇，不利于船閘通航安全。閘室水力特性與輸水時間、輸水系統(tǒng)及閘室消能型式等緊密相關。閘底長廊道側支孔輸水系統(tǒng)是廣泛應用于中水頭船閘的分散輸水系統(tǒng)，我國的桂平二線、那吉等船閘均采用該輸水系統(tǒng)型式。此類輸水系統(tǒng)在閘室的底部布置輸水廊道，輸水廊道兩側連接短支孔與閘室相連。

數值模擬是研究船閘水流條件的有效手段，它具有修改方便、數據信息豐富、高效、節(jié)約成本等優(yōu)點，是原型觀測及物理模型實驗的有效補充。王智娟等對船閘閥門段水流條件模擬，并對體型進行優(yōu)化。黎賢訪等對閘墻長廊道輸水系統(tǒng)船閘灌水過程支孔出流特性進行了分析。陳明等對集中輸水系統(tǒng)船閘閘室流態(tài)進行分析，并基于CFD 軟件二次開發(fā)計算出船舶系纜力。上述研究加深了對船閘輸水過程水力特性的認識，可為船閘輸水系統(tǒng)設計提供科學依據。

本研究建立閘底長廊道側支孔輸水系統(tǒng)三維數學模型，對船閘灌水非恒定變化過程進行模擬，重點分析輸水廊道、側支孔及閘室內水流流速、流態(tài)的時空演化特性。

2 數學模型

數學模型以某閘底長廊道側支孔輸水系統(tǒng)為原型，支孔出流后采用雙明溝消能。閘室的有效尺度為220m×34m×4.5m（長×寬×門檻水深）；閘底主廊道斷面寬5.5m、高5.5m，內設分流墩；主廊道兩側各設24 個出水支孔，兩側支孔對稱布置；支孔外設雙明溝進行消能；設計上下游通航水位差最大值為14.4m。數學模型以上閘首下邊緣為起點指向下游為x 軸正方向，以閘室中軸線為起點指向左岸為y 軸正方向，以高程方向向上為z 軸正方向。

2.1 控制方程

本研究采用CFD 軟件模擬船閘的非恒定灌水過程，數值模擬采用RNG k～ε 紊流模型，采用有限容積法對偏微分方程進行離散，壓力與速度的耦合求解采用PISO 算法，運用VOF 技術對閘室自由水面進行追蹤。假設流體為不可壓縮的粘性流體，連續(xù)方程和動量方程如下：

方程中其他的表達式及常數如下：

2.2 網格剖分及邊界條件

數值計算區(qū)域包括閘室、輸水廊道、側支孔、雙明溝在內長約244m 的區(qū)域。計算區(qū)域采用六面體結構網格和楔形網格進行剖分，同時對側支孔、明溝及其附近區(qū)域進行局部加密，剖分的網格單元總數約為130 萬個，節(jié)點總數約為136 萬個。計算區(qū)域及網格劃分如圖1所示。

圖1 計算網格及邊界條件

為了簡化計算，該模型未設置廊道輸水閥門，將上游兩側廊道作為流量進口，其流量變化是根據船閘整體輸水系統(tǒng)模型實驗確定的，閘室流量過程線如圖2所示。本研究認為兩側廊道的進水流量相等，則各側廊道進口流量為閘室流量的一半。計算域頂部高于閘室最高水位，與大氣相通，設置為空氣壓力出口。閘室水位隨輸水過程變化，存在自由表面，運用VOF 技術進行捕捉。

圖2 閘室流量過程線

2.3 數學模型驗證

本文建立了幾何比尺為1:30 的船閘整體水工物理模型，基于實測灌水過程下閘室中部水位過程線，對數學模型進行驗證。圖3為數值計算的閘室中心點水位與物模實測值的對比。從圖中可以看出，數值計算的閘室水位與物模實測曲線趨勢一致，均隨灌水過程的進行而升高，變化速率先增大后減小。各時刻下，模擬值較實測值偏小，這可能是由于數值模擬依賴于網格的解析度所致，但二者之間的差異不超過2%，表明該數學模型能較好地模擬船閘輸水水力動態(tài)變化過程。

圖3 閘室水位計算值與實測值對比

3 計算結果與分析

限于篇幅，本文僅分析最不利水位組合（水頭差14.44m）、雙邊閥門5 分鐘勻速開啟、灌水過程下閘室內的水力動態(tài)變化過程，并重點圍繞三個典型時刻進行分析：上游閥門開度n=0.2（t=60s，Q=78.1m·s）、最大比能時刻（t=140s，Q =256.2m·s）、最大流量時刻（t =270s，Q =396.4m·s）。

3.1 支孔出流及縱向流速變化

圖4為不同時刻下，側支孔水平中剖面的流速分布圖。數值計算結果表明，水流自閘首兩側的廊道進入后，經匯流口匯流進入閘室底部的輸水主廊道，之后經側支孔進入消能明溝，明溝內的水流向閘室內擴散。從圖4a 中可以看出，在灌水初期，閘底廊道的水流由靜止狀態(tài)轉換為運動狀態(tài)，水流自上游向下游流動，從而使得側支孔自上游向下游依次出流。從初始時刻（t=0s）至流量最大時刻（t=270s），由于流量的增大，整體流速呈增大的趨勢，在最大流量時刻，支孔流速最大約為7m·s。在不同時刻下，閘底廊道內的流速均呈自上游向下游遞減的趨勢。

圖4 閘室特征斷面流速分布云圖：(a)t=60s,(b) t=140s,(c) t=270s

圖5為側支孔中剖面局部出流流速分布圖。從圖中可知，水流經支孔出流后，在第一道明溝內形成射流，在高速射流的卷吸作用下兩支孔間形成兩方向相反的消能漩渦；通過透水孔進入第二道明溝內的水流在邊壁的作用下同樣形成漩渦，水流較為紊亂；由于支孔過水面積較小，因此在支孔處的流速最大。

圖5 支孔出流局部流速分布（t=270s）

3.2 閘室橫向流速分布

圖6為閘室特征橫斷面上的流速及流線分布，其中x=69.9m 位于閘底廊道的分流墩處，x=155.9m 位于分流墩外。從圖中可知，在x=69.9m 處，閘底廊道被分為左右兩部分，漩渦存在于分流墩附近；在x=155.9m 處，由于水流從廊道左右兩側分流，在廊道中部形成漩渦。水流出支孔后射入第一道明溝，第一道明溝內的水流部分向水面運動，部分經消力梁上的透水孔進入第二道明溝并受閘墻的阻擋向水面運動，同時閘室兩側的水流向閘室中部流動。在第二道明溝內，在透水孔出流的卷吸作用下，使得透水孔上下兩側出現兩個方向相反的漩渦。閘室內在不同位置存在不同大小、范圍的漩渦。

圖6 閘室特征橫斷面流速及流線分布圖（t=270s）

4 結論

本文針對閘底長廊道側支孔輸水系統(tǒng)，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數學模型，對船閘灌水的動態(tài)變化過程進行模擬，分析閘室三維水力特性，主要結論如下：

（1）在船閘灌水初期，側支孔自上游向下游依次出流；由于支孔過水面積較小，因此在支孔處的流速最大；閘底廊道內的流速均呈自上游向下游遞減的趨勢。

（2）在第一道明溝內，由于高速射流的卷吸作用，兩支孔間形成兩方向相反的漩渦；在第二道明溝內，則在透水孔上下兩側形成兩方向相反的漩渦。

（3）在閘室內，兩側明溝內的水流向上、向閘室中部流動，存在不同大小、范圍的漩渦，使得閘室停泊條件更加復雜。