引航道通航水流條件數值模擬

陳 輝，劉志雄，江耀祖

(長江科學院，湖北 武漢 430010)

引航道通航水流條件是船閘布置設計的關鍵技術問題，一般引航道出口距樞紐較近，樞紐下泄主流至引航道出口處擴散形成與引航道航道中心線成一定夾角的斜流，特別當引航道航道中心線與河流主流存在較大夾角時，這種斜流效應加重，威脅著船舶(隊)安全進出引航道，從而造成礙航甚至斷航.本文研究對象為某航電樞紐下引航道，該引航道與下游河道存在近40°的夾角，這一區(qū)域水流條件的好壞直接影響到船舶能否順利進閘.另外，該樞紐下游河勢為近90°的彎道，其彎道水流特性對下游引航道通航水流條件的影響也是工程關心的問題之一.擬通過數值模擬的手段研究不同流量下引航道口門區(qū)及其連接段的水位、流速分布，確定其最高通航流量.

1 工程概況

本文研究的航電樞紐工程為河床式布置，主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物等組成.電站建筑物布置在河床靠左側，泄洪建筑物布置在河床中部，船閘布置在右岸.船閘按照Ⅳ級航道標準設計，船閘緊鄰泄洪壩段的右側，布置于河道的右岸，下游引航道直線段長185m，往下游依次以長213.1 m，圓心角74°的圓弧段，250m的直線段與下游天然航道銜接.引航道底高程為147.00m，底寬大于38 m，口門寬度為60m.樞紐及下游引航道布置見圖1.

圖1 樞紐及下游引航道布置Fig.1 Layout of the project with downstream approach channel

下游引航道口門區(qū)為出口以下150m范圍，出口下150～270m為引航道與下游河道連接段.口門區(qū)通航水流條件限值有:①平行航線的縱向流速不大于2.0m/s;②垂直航線的橫向流速不大于0.3m/s;③回流流速不大于0.4 m/s.

2 數學模型

2.1 控制方程及邊界條件

2.1.1 曲線坐標系下基本方程 為較好擬合不規(guī)則河道及船閘引航道邊界，模型采用正交曲線網格對計算域進行網格劃分.正交曲線坐標系下基本方程如下:

2.1.2 流場定解條件 流場定解條件包括邊界條件和初始條件.邊界條件有開邊界和閉邊界條件.開邊界即進、出口水邊界，在非恒定流計算中模型進、出口邊界一般給定水位，在恒定流計算中按進口給定流量、出口給定水位.閉邊界即陸域邊界，模型中令其法向流速分量為0.初始條件包括初始水位和初始流速條件，初始水位直接采用出口邊界水位給出，初始流速為零.初始條件的偏差在迭代計算中會很快消失，不會影響最終計算結果精度.

2.2 數值求解方法

根據推導，曲線坐標系下模型基本方程可表示成如下一般形式:該方程的數值離散采用有限體積法，該方法的優(yōu)點在于能很好保證水流模型中水量和動量守恒.方程離散采用了自動迎風格式，離散方程的求解采用SIMPLE算法.為避免水位鋸齒波，采用了交錯網格技術.

2.3 數學模型相關問題處理

2.3.1 計算河段網格布置 計算區(qū)域為樞紐下游200m至引航道出口下500m長約1km的河段.二維計算網格采用正交曲線網格形式，網格節(jié)點數為300×133個，沿水流方向網格間距3～4 m，垂直水流方向網格間距1～2m，引航道口門區(qū)計算區(qū)域的網格布置見圖2(圖中為使網格清晰，對縱向和橫向網格分別以5和4的間距進行了變稀顯示處理).

2.3.2 動邊界模擬 在計算過程中，計算域內部分節(jié)點在漲水時會被“淹沒”，在落水時會“干出”.為正確反映這部分節(jié)點的干濕變化，模型中采用了以下動邊界模擬技術:選定一臨界水深(hmin取0.001 m)，當某時刻某節(jié)點實際水深(水位減去河底高程)小于臨界水深時，認為該節(jié)點“干出”，令該點流速為0，水深為臨界水深，水位值由附近非“干出”點水位值外插值得到;當某時刻某節(jié)點實際水深大于臨界水深時，則恢復程序計算.

2.3.3 參數取值 二維水流數模計算涉及的主要參系數有河道糙率、紊動黏性系數等.河道糙率實際上是一個綜合阻力系數，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響.計算所需的糙率采用分區(qū)域給定，根據實測水文資料河床糙率確定為0.030，而引航道內開挖邊界的糙率確定為0.014.紊動黏性系數采用υt=αu*h公式計算，α為常數，取為0.5;u*為摩阻流速.

圖2 引航道口門區(qū)計算區(qū)域的網格布置Fig.2 Grid layout of the approach channel entrance

3 計算成果及分析

3.1 數值模擬計算結果

對3種通航流量Q=2530，4000，6000m3/s下的下游引航道通航水流條件進行了數值模擬.

3.1.1 水面比降 表1為各級流量下口門區(qū)的水面比降值，圖3(a)，(b)和(c)分別為Q=6000，4000和2530m3/s條件下引航道水位等值線圖.由計算結果可知:各級流量下口門區(qū)水面平順，水面縱橫比降均較小，隨下泄流量的降低水面比降亦隨之減小.Q=6000m3/s條件下，最大水面縱比降為0.80‰，最大水面橫比降為－0.40‰，連接段水面存在一定的縱比降－1.80‰，橫比降相對較小.所以，各級流量下水面比降較小，滿足通航要求.

表1 各級流量下口門區(qū)水面比降Tab.1 Water surface slope at the entrance

3.1.2 流態(tài)及流速分布 下泄主流在下游彎道處略偏左岸下行，至下游引航道出口處，主流逐漸向右岸擴散，在口門區(qū)及連接段形成與航道中心線存在一定夾角的斜流，斜流效應明顯，斜流夾角為10°～45°，橫向流速較大，影響口門區(qū)通航水流條件.同時在口門右岸形成一個順時針方向的三角形回流區(qū)，回流強度較弱，引航道出口下150m斷面下游河道水流全斷面順流.引航道內僅出口處為弱回流，其余為較弱的往復流.

當下游水位受頂托上升至淹沒引航道左側邊坡頂時，口門區(qū)主流變寬，口門區(qū)回流向右岸縮窄，且回流進入引航道內，上溯至出口以上約100m.

圖3 不同流量下引航道水位某值線與流速矢量Fig.3 Water level isolines and velocity vector diagrams of the approach channel with different discharges

圖3(d)，(e)和(f)分別為Q=6000，4000和2530m3/s條件下引航道流速矢量圖.Q=2530m3/s和4000m3/s條件下，口門區(qū)V縱≤2m/s，縱向流速最大值為1.96m/s，口門區(qū)橫向流速V橫≤0.3m/s，橫向流速最大值為0.30m/s.口門區(qū)內回流較弱，最大回流流速為0.36m/s，下游引航道內通航水流條件滿足通航標準.Q=6000m3/s條件下，口門區(qū)右航線(出口下100～150m)通航水流條件較差，下游引航道內通航水流條件不滿足通航標準，口門區(qū)該處縱向流速最大值為2.66m/s，橫向流速最大值為0.55m/s，而口門區(qū)左航線位于回流區(qū)內，縱向流速相對較小.由于流速矢量與航線夾角較大，橫向流速較大，該處縱向流速最大值為1.85m/s，橫向流速最大值為0.45m/s，回流流速最大值為0.41 m/s.綜上所述，下游引航道內最大通航流量宜為4000m3/s，若要提高通航流量，可適當減小航道中心線與河道主流的夾角.

3.2 數值計算結果與物模試驗結果對比分析

將數值模擬結果與物理模型試驗(模型幾何比尺為1∶100)相應流量下口門區(qū)的相同測點流速進行了對比分析(見表2).可見，各級流量下數、物模流速分布吻合較好，流速最大誤差為0.10m/s，該數學模型能較好地模擬引航道內通航水流條件.

表2 數、物?？陂T區(qū)流速比較Tab.2 Velocity comparison of the numerical and physical models (m/s)

4 結語

采用數值模擬手段，研究了不同流量下引航道口門區(qū)及其連接段區(qū)域的水位、流速分布，得出以下結論:(1)當引航道航道中心線與河流主流存在較大夾角時，引航道口門區(qū)的斜流效應明顯，影響口門區(qū)通航水流條件;(2)Q=6000m3/s條件下，口門區(qū)右航線(出口下100～150m)通航水流條件較差，下游引航道內水流條件不滿足通航標準，當Q≤4000m3/s時，下游引航道內水流條件滿足通航要求;(3)數學模型計算結果與物理模型試驗結果吻合較好，流速最大誤差值為0.10m/s，該數學模型能較好地模擬引航道內通航水流條件.

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