通航船閘物理模型非恒定流模擬測控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

周卓亮 陳輝 范敏

摘 要：船閘擴(kuò)能改造期施工圍堰縮窄了引航道的局部水域?qū)挾龋淖兞艘降赖耐ê剿鳁l件，對壩區(qū)過往船舶的安全航行存在影響。本文針對船閘擴(kuò)能改造期施工圍堰縮窄引航道局部水域引起通航水力學(xué)問題，建立水動力數(shù)學(xué)模型，研究船閘不同運(yùn)行水位條件下施工圍堰對船閘上游引航道和口門區(qū)通航水流條件的影響，并提出合理的船閘優(yōu)化運(yùn)行方式，降低引航道最大流速，最大波高、水面線坡降等各項水力指標(biāo)。研究成果對船閘擴(kuò)能改造期船舶安全快速過閘具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：船閘;引航道;施工圍堰;通航水流;數(shù)值模擬

通航船閘模型主要用于研究壩區(qū)航道通航水力學(xué)、船閘輸水系統(tǒng)水動力學(xué)以及上、下游航道水力學(xué)，隨著內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展，船閘通過能力以及航運(yùn)安全要求的進(jìn)一步提升，對壩區(qū)航道通航水力學(xué)科研成果質(zhì)量以及測試精度有了更高的要求，船閘充泄水產(chǎn)生的航道非恒定流問題以及險灘、急彎等自然邊界影響航運(yùn)安全、制約航道通航能力提升等關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文研發(fā)非恒定流控制系統(tǒng)以及基于圖形粒子測量系統(tǒng)非恒定流航道流場測試系統(tǒng)，為更精細(xì)、快速、系統(tǒng)地了解壩區(qū)航道通航船舶航態(tài)和通航水流條件，為壩區(qū)航道通航模擬的各項任務(wù)提供高質(zhì)量的科技服務(wù)平臺，為深入研究探討船舶航行與航道水流條件相互影響關(guān)系的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件。

1? 非恒定流控制系統(tǒng)

非恒定流測控系統(tǒng)由可控電動閥門及流量計組成，通過調(diào)節(jié)閥、換向閥、管道模擬船閘充泄水流量過程，采用數(shù)控調(diào)制模塊及船閘充泄水軟件對系統(tǒng)流向控制、分配，實現(xiàn)了模擬船閘充泄水場景。

測控系統(tǒng)采用相位平均法嚴(yán)格按照統(tǒng)計平均的方法對紊流的平均運(yùn)動特性以及脈動特性進(jìn)行研究，因而要求能夠完全重復(fù)周期性的試驗，而且各次試驗的水流條件以及邊界條件完全相同。本系統(tǒng)的非恒定流生成系統(tǒng)由計算機(jī)程序控制，從而形成穩(wěn)定的非恒定流過程，本系統(tǒng)產(chǎn)生的非恒定流過程的穩(wěn)定性已經(jīng)過檢驗。

非恒定流模擬控制系統(tǒng)主要有以下特點：

（1）使用數(shù)控調(diào)制模塊控制可控電動閥門能夠得到較好的非恒定流過程，同時在管路上安裝電磁流量計測量總水管流量，上位計算機(jī)控制流量時進(jìn)行計算控制模型流量按照船閘充泄水設(shè)定模式運(yùn)行。

（2）電磁流量計測量總水管流量數(shù)據(jù)信號直接接入中心計算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)隨時對流量進(jìn)行記錄。并且隨時可以生成EXCEL報表和趨勢曲線。

（3）實驗者可自定義設(shè)置各閥門開啟流量過程、開啟時間，可以模擬多組合船閘充泄水流量過程。

2通航水流流速分布測量系統(tǒng)

通航水流流速分布測量系統(tǒng)是基于粒子圖像測速法（PIV）原理，如圖 3 所示，運(yùn)用圖像處理、模式識別與快速時序處理等技術(shù)開發(fā)研制的新一代表面流場測量及分析系統(tǒng)。設(shè)計了具有良好仿射變換魯棒性的局部特征配準(zhǔn)算法模塊，提升了系統(tǒng)在示蹤粒子高速運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)、遮擋情況下的追蹤能力，同時，通航水流流速分布測量系統(tǒng)滿足不同大小范圍試驗流場測試，通過多通道高分辨視頻聯(lián)合，利用數(shù)據(jù)拼接功能對不同測量區(qū)域流場數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，生成完整的大規(guī)模表面流場數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)了大范圍模型水流流場測試要求。

通航水流流速分布測量系統(tǒng)滿足大范圍模型水流流場測試要求及精度，模型范圍大于1000m2，大規(guī)模組網(wǎng)測量，系統(tǒng)模塊化設(shè)計，擴(kuò)展性優(yōu)異，實現(xiàn)大范圍流量同步測試，且不擾動水流，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度毫米級的，精細(xì)流場高精度測量?？蓽y流速范圍為0.1mm/s-10.0m/s，平面內(nèi)流場測量精度1%，垂直于平面的流速測量精度1.5%;采樣頻率1500幀/秒，最高頻率達(dá)10000幀/秒;流場最小空間分辨率0.2mm;測量平面及三維流場，可測顆粒體積濃度范圍為0-0.1%。

該系統(tǒng)具備以下幾個特點：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。在復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境下能夠安全穩(wěn)定高效地運(yùn)行，能夠適應(yīng)全年的溫度、濕度變化;量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確。

（2）高精度測量能力。保證系統(tǒng)的高精度量測效果，能給出豐富的表面流場數(shù)值，能給出高密度的實測數(shù)據(jù)，所測流速值可被直接采信，精度可與ADV數(shù)據(jù)比對。

（3）復(fù)雜流態(tài)測量能力。對復(fù)雜精細(xì)流場具備捕捉、刻畫能力;精確測量渦旋結(jié)構(gòu)，為科研工作者開展精細(xì)流場的理論機(jī)理研究提供強(qiáng)有力的實驗保障

（4）移動與便攜測量能力。Namec-Advanced系列設(shè)備提供多角度量測功能，提供移動安裝以及多角度測量功能，方便科研工作者在不同模型上使用該套設(shè)備進(jìn)行測量。

3物理模型非恒定流模擬測控系統(tǒng)

3.1物理模型概況

建立1：50船閘水力學(xué)物理模型。模型模擬范圍包括整個上游引航道、船閘上閘首、各處靠船墩、各船閘進(jìn)水口、口門區(qū)長750m河道等。模型全長約80m，最寬22m。模型采用上述非恒定流控制系統(tǒng)模擬各線船閘泄水過程，同時利用建立通航水流流速分布測量系統(tǒng)地進(jìn)行流態(tài)、水面波動、流速分布等測試，開展引航道通航水流條件及改善措施研究。

選擇上游引航道口門區(qū)至船閘引航道及靠船墩等重點研究區(qū)域，在航道中心線及系船墩處共布置8個攝像機(jī)測試航道流場流速變化過程，物理模型及測量系統(tǒng)布置見圖4所示。

3.2引航道流態(tài)及流速成果

圖5為船閘充水過程典型時刻航道表面粒子流態(tài)以及實時流速分布。船閘充水起始時段，船閘進(jìn)水口開始流量增大，水面略有跌落，引航道水體向進(jìn)水口逐次匯集，隨流速增大，在沉箱段與土石圍堰結(jié)交部位由于存在拐彎而出現(xiàn)較大范圍回流區(qū)（橫向距離圍堰40m左右），擠壓該區(qū)域水流有所偏轉(zhuǎn)，對靠船墩上游區(qū)段略有影響;隨流速降低，該處回流區(qū)逐漸減小;隨船閘充水終了，水流由于慣性作用還向船閘涌進(jìn)，一定時刻之后，水面抬升至最高，水流復(fù)向上游回轉(zhuǎn)，由閘首向上游依次轉(zhuǎn)為反向流動，在閘前約600m區(qū)段，已處于圍堰影響區(qū)段之外，反向流已減弱不明顯;在反向流動較大時段，沉箱段與土石圍堰結(jié)交部位復(fù)又出現(xiàn)回流區(qū)域。其他區(qū)域流速不大，水面平穩(wěn)。

通過非恒定流通航流場測試系統(tǒng)測試航道水流流速分布，后期處理后流速分布成果見圖6。

4 結(jié)論

結(jié)合船閘航道物理模型試驗基礎(chǔ)條件，研發(fā)船閘非恒定流測控系統(tǒng)，包括：非恒定流控制系統(tǒng)以及通航水流流速分布測量系統(tǒng)，實時控制模型水位流量，監(jiān)測整個試驗區(qū)段通航水流條件，分析航道的適航性，實現(xiàn)非恒定流流量控制以及通航水流流場測試的自動化，得到高性能存儲和處理海量的觀測數(shù)據(jù)，提升通航水力學(xué)以及其他相關(guān)試驗研究的觀測能力，取得精度更高、更全面的試驗成果，推動一批原創(chuàng)性和高水平的科研成果出爐，拓展通航水力學(xué)的研究領(lǐng)域，提高和推動相關(guān)科研團(tuán)隊的研究成果質(zhì)量。

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國家重點研發(fā)計劃項目：《重大水利樞紐通航建筑物建設(shè)與提升技術(shù)》資助項目（2016YFC0402000）