船閘閘室明溝消能工消能效果三維數(shù)值模擬

呂偉東 ，劉平昌 ，陳 亮 ,張緒進(jìn)

（1.重慶交通大學(xué),重慶 400074；2.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022；3.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016）

船閘閘室明溝消能工消能效果三維數(shù)值模擬

呂偉東1，2，劉平昌1，3，陳 亮1,張緒進(jìn)1，3

（1.重慶交通大學(xué),重慶 400074；2.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022；3.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,重慶 400016）

利用多重網(wǎng)格技術(shù)及VOF方法，在恒定流情況下，對(duì)側(cè)墻長廊道單明溝、雙明溝及三明溝消能工充水過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分析和比較各型式明溝的剩余比能、動(dòng)能及流場(chǎng)分布，綜合評(píng)判各型式明溝消能工的消能特性。研究結(jié)果表明，3種明溝型式比較，三明溝布置消能效果最優(yōu)，單明溝和雙明溝各項(xiàng)消能指標(biāo)較接近，但雙明溝消能條件下，其布置更為靈活，消能空間更大，水流分布亦較單明溝更為均勻，尤其是在減小閘室內(nèi)橫向水流對(duì)船舶的作用力方面較單明溝型式優(yōu)越。

三維數(shù)值模擬；明溝消能工；消能效果

Biography：LV Wei-dong（1968-），male，senior engineer.

對(duì)于船閘閘室消能工，早在20世紀(jì)30年代，美國開始在部分船閘底部橫支廊道前沿采用單明溝消能工［1］。國內(nèi)從20世紀(jì)50年代開始，陸續(xù)在長江三峽船閘、葛洲壩二號(hào)等船閘設(shè)計(jì)、施工中也采用單明溝消能工［2-4］；21世紀(jì)初開始，國內(nèi)相關(guān)研究單位對(duì)閘底廊道雙明溝消能布置進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于工程實(shí)踐；隨著國內(nèi)一批中低水頭、大尺度閘室船閘側(cè)墻廊道工程的建設(shè)，由于其輸水廊道布置于閘墻內(nèi)，閘室內(nèi)有足夠的空間布置多明溝消能。因此，需要對(duì)其消能特性進(jìn)行研究。目前采用的研究方法主要以物理模型試驗(yàn)為主，近幾年通過大量的物理模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)成果，使得對(duì)輸水時(shí)不同消能工的消能機(jī)理及水流消能引起的局部水流流態(tài)數(shù)值模擬研究和計(jì)算方法已趨一定進(jìn)展，但系統(tǒng)建立三維數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算、評(píng)判3種明溝型式的消能特性、消能效果的研究資料較少。因此，以貴港二線船閘為依托，選取其閘室中間段5個(gè)支孔為研究對(duì)象，利用本數(shù)學(xué)模型對(duì)各種明溝型式消能工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，系統(tǒng)的分析各明溝消能工消能特性、消能效果，并提出最優(yōu)的明溝型式。為進(jìn)一步進(jìn)行物理模型試驗(yàn)提供方案參考。

1 計(jì)算模型及工況

1.1 控制方程

計(jì)算模型選用紊流模型中的雷諾時(shí)均法RNG k-ε紊流模型。該模型與標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的主要區(qū)別：（1）方程中的常數(shù)是用理論推導(dǎo)得出的，并非用實(shí)驗(yàn)方法確定；（2）耗散方程及系數(shù)體現(xiàn)了平均應(yīng)變率對(duì)耗散項(xiàng)的影響，因此對(duì)高速射流的各向異性能較好地模擬。因此，本研究采用RNG k-ε紊流模型，其連續(xù)方程、動(dòng)量方程和k、ε方程可分別表示如下

式中：ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)平均的密度和分子粘性系數(shù)；vt為紊流粘性系數(shù)，它可由紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε求出。

以上各張量表達(dá)式中，i=1,2,3，即{xi=x,y,z}，{ui=u,v,w}；j為求和下標(biāo)，方程中通用模型常數(shù)取值為：h0=4.38,b=0.012,Cm=0.085,C2e=1.68,Sk=0.717 9,Se=0.717 9。

對(duì)閘室水面模擬，采用VOF模型。引入VOF模型的k-ε紊流模型方程（1）～（4）與單相流的k-ε模型形式是完全相同的。只是密度ρ和μ的具體表達(dá)式不同，它們是由體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均值給出，也就是說，ρ和μ是體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，而不是一個(gè)常數(shù)。它們可由下式表示

式中：αw為水的體積分?jǐn)?shù)；ρw和ρa(bǔ)分別水和氣的密度；μw和μa分別為水和氣的分子粘性系數(shù)。通過對(duì)水的體積分?jǐn)?shù)的αw迭代求解，ρ和μ值都可由式（5）～（6）求出。水的體積分?jǐn)?shù)αw的控制微分方程為

本文采用有限容積法對(duì)上述偏微分方程組進(jìn)行離散，為反應(yīng)壓力對(duì)速度的影響，壓力—速度耦合求解使用S I M P L E R法。

圖1 各型式明溝消能閘室網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Grid subdivision graph of each open ditch energy dissipation lock chamber

1.2 計(jì)算段閘室

以貴港二線船閘閘室中間段5個(gè)支孔、取閘室寬度的一半為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算閘室段幾何尺寸為4 2.5 m×1 7 m×1 7 m（長×寬×高），數(shù)學(xué)模型采用1：2 0比尺，所以計(jì)算段閘室尺寸為2.1 2 5 m×0.8 5 m×0.8 5 m（長×寬×高）。為使閘室內(nèi)水流接近于恒定流，在起始水深以下開一個(gè)0.6 m×0.2 m泄水閥門。分別建立單明溝、雙明溝及三明溝型式的閘室三維模型，采用六面體和五面體對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分［5－7］。圖1為三明溝消能閘室網(wǎng)格剖分圖，圖2為雙明溝細(xì)部布置圖。

1.3 邊界條件處理

對(duì)于閘室內(nèi)存在的自由表面，采用三維V O F法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于進(jìn)出口條件，由于閘室內(nèi)水流為恒定流，所以進(jìn)出口均有流量控制。固壁邊界條件由壁函數(shù)方法給定［8－10］。

圖2 雙明溝布置圖Fig. 2 Arrangement of double open ditches

1.4 計(jì)算工況

本文計(jì)算工況采用5 m i n開門，閥門開度為n=0.8時(shí)水位及流量，其計(jì)算模型流量為2 7.5 L/s，計(jì)算水深為6 0 c m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 橫斷面流場(chǎng)分布

圖3顯示了3個(gè)消能明溝型式橫向剖面流場(chǎng)分布，可見3個(gè)剖面流場(chǎng)明顯不同。單明溝流態(tài)為：水流出支孔后射入閘室，受單明溝內(nèi)低檻阻擋，水股上抬從低檻表面水平射向閘室中部，同時(shí)水股分散，受明溝邊墻阻擋，水流上升，在閘室內(nèi)形成逆時(shí)間方向旋渦；雙明溝流態(tài)為：水流出支孔后射入閘室，水流受擋板阻擋，部分水流分散上升，部分水流從擋板中孔進(jìn)入閘室后部，受明溝邊墻阻擋，水流上升，在閘室內(nèi)形成2個(gè)逆時(shí)間方向旋渦。三明溝流態(tài)為：水流出支孔后射入閘室，水流受第一道擋板阻擋，部分水流分散上升，部分水流從擋板中孔進(jìn)入第二道明溝，受第二道擋板阻擋，部分水流進(jìn)一步分散上升，部分水體通過第二道擋板中孔進(jìn)入閘室中部，受明溝邊墻阻擋，水流上升，在閘室內(nèi)形成2個(gè)相反方向旋渦，尺度均較小，第一個(gè)旋渦位于第二道明溝之前，為逆時(shí)間方向旋渦；第二個(gè)旋渦位于閘室后部，為順時(shí)間方向旋渦。

圖3 橫斷面流場(chǎng)分布Fig.3 Transverse flow field distribution

圖4 縱向剖面流場(chǎng)分布（Y=0.2 m）Fig. 4 Longitudinal profile flow field distribution（Y= 0.2 m）

2.2 縱剖面流場(chǎng)分布

圖4是Y=0.2 m縱剖面流場(chǎng)二維顯示，可見單明溝受低檻阻擋，明溝底部水流較為分散，雙明溝和三明溝由于擋板透水，流股較為明顯。從流速分布來看，3種型式明溝底部流速均較大，由于三明溝消能更為充分，在Z≥0.2 m區(qū)域內(nèi)，流速基本均勻，且較小。而單明溝和雙明溝消能效果較低，在Z≥0.2 m區(qū)域內(nèi)流速仍較大，且分布不均。Y=0.4 m剖面（圖5）與Y=0.2 m剖面規(guī)律和結(jié)論基本相同。

2.3 消能效果比較

對(duì)某一水面剖面，剩余比能按式（8）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由圖6可看出各明溝型式的剩余比能。在無論何種水深下，三明溝的剩余比能均較單明溝和雙明溝要小，雙明溝及單明溝隨著水深的不同剩余比能值互有交替。就剩余比能來看三明溝消能效果最優(yōu)，單明溝和雙明溝指標(biāo)較接近，消能效果也較為接近。

表1 各水深斷面剩余比能及動(dòng)能統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Residual ratio and kinetic energy of each depth section

圖5 縱向剖面流場(chǎng)分布（Y=0.4 m）Fig.5 Longitudinal profile flow field distribution（Y= 0.4 m）

為更好的比較3種型式的消能工，提取各斷面流速按式（9）計(jì)算了各斷面動(dòng)能，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可見，三明溝消能設(shè)施布置各剖面能量均小于單明溝和雙明溝，說明三明溝消能效果最優(yōu)。而單明溝與雙明溝各剖面能量基本相當(dāng)，而在水面處單明溝能量還略大于雙明溝，說明雙明溝消能效果略好于單明溝。

圖6 剩余比能比較圖F i g.6 C o m p a r i s o n o f r e s i d u a l r a t i o

圖7 各水深斷面動(dòng)能比較圖Fig.7 Comparison of kinetic energy for each depth section

4 結(jié)論

（1）經(jīng)三維數(shù)值模擬閘室內(nèi)各型式明溝消能工消能效果比較，其結(jié)果表明，三明溝消能設(shè)施較單明溝、雙明溝，流場(chǎng)分布更均勻，且剩余比能及動(dòng)能等指標(biāo)均較優(yōu)。說明三明溝較單、雙明溝消能效果更好，對(duì)閘室內(nèi)水流的二次調(diào)整作用更明顯；而雙明溝與單明溝消能設(shè)施比較，雖然其閘室內(nèi)縱橫向流場(chǎng)分布、剩余比能指標(biāo)較接近，但其斷面動(dòng)能在水面處單明溝能量略大于雙明溝，說明雙明溝消能效果略好于單明溝。

（2）明溝型式的消能機(jī)理主要是在出流擋板末端消能，孔口出流的突擴(kuò)生成大量的旋渦以及水流的相互劇烈摻混，明溝及閘室中部的水體進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換，由于內(nèi)外摩擦作用，在水流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能的過程中，流場(chǎng)急劇改變，致使水流內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇、碰撞和摩擦作用亦加強(qiáng)，消耗了大部分能量。

［1］U S Army Corps Engineers．Hydraulic Design of Nay Lgation Locks［R］．Washington：U S Army Corps.，1975.［2

［2］JTJ306-2001,船閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］須清華．葛洲壩工程二號(hào)船閘輸水系統(tǒng)水工模型終結(jié)試驗(yàn)報(bào)告［R］．南京：南京水利科學(xué)研究院，1981．

［4］宗慕偉.三峽雙線連續(xù)五級(jí)船閘總體運(yùn)行水力學(xué)試驗(yàn)研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，1995.

［5］劉平昌,彭永勤,王召兵.貴港二線船閘側(cè)墻廊道輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶：重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2010.

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［7］張緒進(jìn)，宣國祥，劉平昌.船閘輸水過程消能機(jī)理及船舶系纜力計(jì)算方法研究總報(bào)告［R］.重慶：重慶交通大學(xué)，2 0 1 3.

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YANG Z C. Three dimensional numerical simulation of figure optimization of valves of high head Iock［J］.Advances Science andTechnology of Water Resources，2010（4）:10-14.

Three-dimensional numerical simulation of energy dissipation effect in energy dissipater of lock chamber open ditch

LV Wei-dong1,2,LIU Ping-chang1,3,CHEN Liang1,ZHANG Xu-jin1,3
（1.Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,China;2.Guangxi Xijiang Development&Investment Group Co.Ltd.,Nanning530022,China;3.Southwestern Research Institute of Water Transport Engineering,Chongqing400016,China）

By using the multi-grid technique and VOF （Volume of Fluid）method,the local mathematical model of lock chamber was developed.The energy dissipation process of the open ditch,double ditches and three ditches were simulated by three-dimensional model in the steady flow circumstances.Then the distribution of residual energy,kinetic energy and flow field were analyzed,and the energy dissipation effects of all types of energy dissipaters were compared in order to point out the optimal open ditch.The results show that various criteria on energy dissipation of open ditch are close to those of double ditches,and the energy dissipation effect of three ditches is optimized,but the energy dissipater of double ditches has much larger space.

three-dimensional numerical simulation;energy dissipater;energy dissipation effect

U 641；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0508-05

2013-03-07；

2013-04-15

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（20118323501580）

呂偉東（1968-），男，廣西陸川人，高級(jí)工程師，主要從事內(nèi)河航運(yùn)的開發(fā)、運(yùn)營及研究工作。