船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)閘室三維流場數(shù)值模擬研究

彭永勤，彭 濤

(1. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2. 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016)

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船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)閘室三維流場數(shù)值模擬研究

彭永勤1，彭 濤2

(1. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2. 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016)

采用流場計(jì)算分析軟件Fluent，在利用實(shí)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證后，建立三維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算了船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)充水過程中的閘室流場，并對輸水過程中閘室流場垂向演變規(guī)律進(jìn)行了分析。研究表明：在尺度空間一定和各孔射流比較均勻的條件下，增加側(cè)支孔的數(shù)量，漩渦數(shù)量增加，漩渦范圍減小，有利于船體停泊。

航道工程；輸水系統(tǒng)閘室；三維流場；數(shù)值模擬

閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的型式在船閘工程設(shè)計(jì)中是靈活多變的[1-4]。目前，沒有一種“最具代表性的閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)”的閘室水動(dòng)力學(xué)特性能夠涵蓋其他閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)[5-10]。從理論研究的角度，一種兼具多種閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)型式共同點(diǎn)的、比較簡單的“概念化閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)型式”或可以為研究復(fù)雜的閘室水動(dòng)力學(xué)問題奠定一個(gè)比較通用的基礎(chǔ)。筆者應(yīng)用流場計(jì)算分析軟件Fluent，利用實(shí)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算模擬船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)閘室三維流場，分析輸水過程中閘室流場變化規(guī)律。

1 網(wǎng)格剖分及邊界條件

本次研究對應(yīng)物理模型按照1∶1的尺寸比例建立閘室水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型的邊界形狀比較復(fù)雜，三維計(jì)算網(wǎng)格類型采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)，側(cè)支孔及孔口附近水流流態(tài)變化比較復(fù)雜，在劃分計(jì)算網(wǎng)格時(shí)將此區(qū)域進(jìn)行比較細(xì)密地劃分，如圖1。計(jì)算區(qū)域內(nèi)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格四面體單元總數(shù)為1 304 240個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)為274 016個(gè)，單元格的體積控制在0.63～1 719.85 mm3之間。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

閘室水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的進(jìn)口邊界類型為“速度-時(shí)間”邊界，流速方向垂直進(jìn)口斷面。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)口斷面的流速分布對孔口斷面的流速分布影響不大，故在保證流量一致的條件下進(jìn)口流速取平均值。

進(jìn)口邊界條件的表達(dá)式為：

式中：Q(t)為主廊道流量；s為主廊道斷面面積。

出口運(yùn)動(dòng)流體為空氣，采用恒定壓力邊界條件。在數(shù)學(xué)模型中，由于模型靜止不動(dòng)，與物模相對應(yīng)的閘室側(cè)壁面、閘底、消力檻壁面、側(cè)支孔壁面采用了無滑移壁面條件。閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)閘室水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域的輪廓和邊界條件設(shè)置如圖2。

圖2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

2.1 物理模型試驗(yàn)

閘室模型尺度為2 000 mm×300 mm ×400 mm(長×寬×高)。閘室兩側(cè)輸水主廊道底部與閘室底部高度持平，斷面尺寸為60 mm×60 mm。每支廊道設(shè)等間距9個(gè)側(cè)支孔，側(cè)支孔尺寸為20 mm×20 mm，支孔間距為150 mm。閘墻兩側(cè)側(cè)支孔水平交錯(cuò)布置，底部與廊道及閘室底部齊平，孔軸線與閘室縱軸線垂直。兩側(cè)主廊道由分岔管與上游銜接，分岔管呈對稱布置，以確保上游來流向兩側(cè)主廊道分配的流量基本相等。分岔管上游設(shè)平板閥門，閥門控制的廊道面積為120 mm×60 mm。平板閥門上游設(shè)水箱，溢流水箱內(nèi)設(shè)平水槽，保證閘室充水過程中水位基本不變，以模擬船閘運(yùn)行過程中的上游水位狀態(tài)。

船閘閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)閘室水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)物理模型由閘室、側(cè)支孔、輸水廊道、岔管、平板閥門、溢流水箱(帶平水槽)、鋼架、水池、輸水管道、水泵及閥門等部分組成，模型如圖3。

圖3 物理模型

閘室瞬態(tài)流場采用現(xiàn)階段研究復(fù)雜流場問題最先進(jìn)的工具——圖像粒子測速儀(PIV)進(jìn)行測定。

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

由于閘室充水過程的水流為非恒定流，通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)量較大。根據(jù)速度矢量的時(shí)間和空間分布，整體比較數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的工作是冗余的。本次采用抽取特定時(shí)刻和空間的樣本比較的方法，抽取物理模型和數(shù)學(xué)模型樣本的時(shí)刻為5 s，特征斷面與PIV測量的斷面相同，即距模型閘底高1 cm處的水平斷面。得出左側(cè)3#和9#支孔的流場對比結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 3#支孔流場

圖5 9#支孔流場圖

由圖4、圖5可知，采用重正化群k-ε紊流模型模擬的閘墻長廊道輸水系統(tǒng)充水階段閘室三維流場與閘室水動(dòng)力學(xué)物理模型試驗(yàn)的測量結(jié)果吻合良好，證明所建立的數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確的，可以用于模擬實(shí)際的閘室充水過程，且其計(jì)算結(jié)果將作為閘室水動(dòng)力特性分析的依據(jù)。

3 結(jié)果分析

采用側(cè)支孔輸水系統(tǒng)布置型式的船閘在充水過程中閘室水流形態(tài)最復(fù)雜的區(qū)域集中在閘室底部側(cè)支孔布置段。筆者圍繞上述時(shí)間、空間區(qū)域，對船閘充水過程的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。

3.1 閘室底部特征斷面的流態(tài)

選取距離閘室底面1 cm(即z=1 cm)的水平截面作為閘室底部的水流形態(tài)的特征斷面。側(cè)支孔的高度為2 cm，所選取的特征面處于側(cè)支孔豎向中面位置，可以較清晰地反應(yīng)底部側(cè)支孔射流的形態(tài)。特征斷面上的流速分布如圖6。

圖6 閘室特征斷面不同時(shí)刻的流態(tài)(z=1 cm)

在輸水初始時(shí)刻t=0.5 s〔圖6(a)〕，各側(cè)支孔射流的流量沿主廊道從上游到下游呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，射流的中心線沿側(cè)支孔軸線延伸。靠近上游的側(cè)支孔射流在末端交錯(cuò)，下游側(cè)支孔射流處于互不干擾的狀態(tài)。2 s時(shí)刻及以后〔圖6(b)、圖6(c)〕，閘室兩側(cè)側(cè)支孔射流處于充分的交錯(cuò)擺動(dòng)狀態(tài)，擺動(dòng)幅度較大，劇烈程度隨時(shí)間不斷變化。

3.2 閘室底部流態(tài)的垂向演變

一般來說，閘室充水之前閘室底部與船舶底部之間有一定的富裕水深。在閘室設(shè)計(jì)中保持一定的富裕水深主要是為了避免閘室底部流速較大、流態(tài)復(fù)雜的水體大面積地與船體接觸而導(dǎo)致船體受到過大的水流沖擊力。因此，在閘室中與船體接觸的主要是靠近閘室自由水面的上部水體。閘室底部水體的流態(tài)必然影響上部水體。閘室底部流態(tài)的垂向演變反映了閘室底部水體的動(dòng)力因素如何傳遞至上部水體，是研究閘室水動(dòng)力學(xué)特性和船舶停泊條件重要內(nèi)容之一。閘室底面以上6 cm(即z= 6 cm)處水平斷面流態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7。

圖7 閘室特征斷面不同時(shí)刻的流態(tài)(z=6 cm)

距閘室底面6 cm處的水平斷面相對1 cm處的水平斷面，流速絕對值降低，絕大部分區(qū)域在0.15 m/s以下。閘室兩側(cè)壁面區(qū)域的流速值相對中間區(qū)域的流速值較高，是射流末端遇對面邊壁阻擋后，轉(zhuǎn)而沿邊壁上升形成的。斷面流態(tài)呈多漩渦排列狀，沒有明顯射流流速分布狀態(tài)。相鄰漩渦方向相反，各漩渦范圍相對閘底斷面上對應(yīng)位置漩渦的范圍擴(kuò)大。通過分析上述特征斷面流態(tài)可知，閘室底部側(cè)支孔射流形成的流態(tài)隨著水深增加，射流流態(tài)逐漸消失，漩渦范圍擴(kuò)大，流速降低，存在射流末端沿邊壁上升現(xiàn)象。直觀推斷，漩渦以順時(shí)針和逆時(shí)針依次排列、流速降低和射流主流區(qū)消失等現(xiàn)象，對船體在閘室上部水體內(nèi)受力均勻是有利的。

4 結(jié) 語

閘室底部流態(tài)的垂向演變的根本原因是水流與閘室邊壁的摩擦作用和內(nèi)摩擦作用。影響水流與邊壁的摩擦作用的主要因素為貼壁射流區(qū)域的大小、射流流速和射流方向等。在特定來流條件下，上述因素與主廊道和側(cè)支孔設(shè)計(jì)型式、邊壁形狀緊密聯(lián)系?？梢酝茢?，通過調(diào)整側(cè)支孔和閘室底面的形狀，增強(qiáng)射流與邊壁的內(nèi)摩擦在一定條件下對于形成更有利于船舶停泊的上部水體是有益的。

射流主流區(qū)之間的相互摩擦是導(dǎo)致底面和上層面漩渦存在的主要因素。底面漩渦在向上延伸過程中，并沒有變得雜亂無章，而是有次序地排列。如果船體受順時(shí)針和逆時(shí)針漩渦擾動(dòng)比較平均，則在垂向上所受的力矩則較小。漩渦的數(shù)量與交錯(cuò)布置的側(cè)支孔的數(shù)量是對應(yīng)的，在尺度空間一定和各孔射流比較均勻的條件下，增加側(cè)支孔的數(shù)量，漩渦數(shù)量增加，漩渦范圍減小，有利于船體停泊。

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Three Dimensional Flow Fields Numerical Simulation of Long CorridorFilling-Emptying System Chamber of Ship Lock Wall

Peng Yongqin1, Peng Tao2

(1. Southwestern Hydro Engineering Research Institute for Water Way, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016, China;2. China Coal Technology & Engineering Group, Chongqing Design & Research Institute, Chongqing 400016, China)

After using the measured data to validate numerical models, the flow field analysis software Fluent was adopted to build a three-dimensional mathematical model, for calculating the chamber flow field in the process of filling water, and analyzing evolution of vertical flow field in the filling process. The study shows that when scale space is certain and each hole jets uniformly, if the number of collateral hole increases, the number of swirl also increases, but the swirl range is reduced, which is in favor of the hull moored.

waterway engineering; filling-emptying system chamber; three dimensional flow fields; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.15

2013-10-30；

2014-03-12

彭永勤(1984—)，女，重慶人，工程師，碩士，主要從事通航論證方面的研究。E-mail: 174588703@qq.com。

U612

A

1674-0696(2015)03-072-04