垂直升船機承船廂廂底復雜梁格構造對離水下吸力的影響研究

郭乙良

摘 要：升船機承船廂具有復雜的梁格構造，出水過程中產(chǎn)生的附加水動力荷載是下水式鋼絲繩卷揚垂直提升升船機的重要參數(shù)，也是校核升船機提升力的一項重要指標。本文采用數(shù)值模擬的方法，建立升船機承船廂的二維縱剖面模型與三維數(shù)學模型，對垂直升船機承船廂出水過程的水動力特性進行模擬。研究發(fā)現(xiàn)，復雜的底部梁格結構對升船機承船廂離水下吸力具有明顯影響，次高橫梁腹板能顯著降低單位面積的出水下吸力。本文通過在腹板開孔的方式，研究了開孔對廂體離水下吸力的影響。結果表明，在底部梁格腹板處開孔可顯著降低承船廂離水下吸力，保證升船機安全、平穩(wěn)運行。

關鍵詞：升船機承船廂;離水過程;數(shù)值模擬;下吸力

中圖分類號：U642.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0067-03

Research on the Influence of the Complicated Girder Structure at the Bottom of the Vessel Chamber of the Vertical Shiplift on the Suction Underwater

GUO Yiliang

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an Shaanxi 710000）

Abstract： The ship cabin of the ship lift has a complicated girder structure， the additional hydrodynamic load generated by the water discharge process is an important parameter of the launching steel wire rope hoisting vertical lift ship lift， and this parameter is also an important indicator for checking the lifting force of the ship lift. In this paper， the method of numerical simulation is used to establish a two-dimensional longitudinal section model and a three-dimensional mathematical model of the ship-lift tank， and simulate the hydrodynamic characteristics of the vertical ship-lift tank. The study finds that the complex bottom girder structure has a significant effect on the suction force of the shiplift tank from underwater， and the sub-high beam web can significantly reduce the suction force per unit area. In this paper， by opening holes in the web， the effect of openings on the suction of the car body from the water is studied. The results show that opening holes in the bottom girder web can significantly reduce the suction force of the ship tank from the water and ensure the safe and stable operation of the ship lift.

Keywords： ship lift tank;water-off process;numerical simulation;downward suction

在水利工程中，興修大壩形成的水位落差會影響河道通航能力。升船機是一種利用機械裝置垂直升降通航船舶，以克服水位落差的建筑物。升船機主要由承船廂、支承結構、提升裝置和事故裝置等組成。相比船閘，升船機具有耗水量少、運行速度快、技術條件成熟、投資較小等優(yōu)點。20世紀90年代以來，我國已建成紅水河巖灘、隔河巖、高壩洲、烏江彭水、景洪、長江三峽等眾多升船機。此外，向家壩、構皮灘、龍灘等多座垂直升船機也在積極設計施工中[1]。

目前，我國升船機領域有了一定的發(fā)展，已設計并建造了一大批具有自主知識產(chǎn)權的各類大、中、小型升船機，并通過原型觀測、試驗研究和數(shù)值模擬等方法不斷加深對升船機的研究。盡管已經(jīng)取得了眾多研究成果，但下水式垂直升船機依舊存在眾多需要深入研究的內(nèi)容。例如：升船機承船廂出入水過程中附加水動力荷載的變化規(guī)律;升船機水動力學基礎研究;升船機的三維數(shù)值模擬技術[2]。其中，研究人員關注最廣泛、難度最大的是對升船機承船廂出入水過程中附加水動力荷載變化特性的研究。

陳震等利用仿真軟件對平底剛性結構的入水問題進行研究，建立二維平底剛性有限元模型，通過計算結構不同入水速度下剛性面的壓力分布，探究平底剛性結構入水過程中砰擊面上壓力分布規(guī)律及持續(xù)時間的計算公式[3];程璐等采用VOF計算模型和κ-ε湍流模型，結合動網(wǎng)格技術對下水式垂直升船機船廂入水過程的水動力學特性進行模擬研究，通過與物理模型結果的對比，證明了該方法可以較好地模擬船廂入水后船池內(nèi)部的復雜水流情況[4];竇義哲等則通過數(shù)值模擬軟件的二維分析計算，得到游艇船艏入水過程中的船首砰擊壓力分布及變化規(guī)律，分析結果可為游艇的設計建造提供一定依據(jù)[5]。

本文基于前人研究成果，結合某大型升船機承船廂工程，開展下水式垂直升船機承船廂結構離水過程中下吸力的特性研究。通過數(shù)值分析的方式，研究承船廂結構離水下吸力的變化規(guī)律、實際工程問題及解決方法，以期為下水式垂直升船機的設計提供技術支撐。

1 建立模型

某大型升船機承船廂工程位于陜西省境內(nèi)的漢江上游。升船機主要由提升機構、承船廂、行走機構、門架、機房及檢修機組成。研究者通過流體數(shù)值分析軟件FLOW-3D建立承船廂外殼模型，采用GMO模塊模擬廂體離水過程，設定不同的承船廂離水速度，研究并計算廂體離水過程的下吸力，繪制下吸力變化曲線，得出運行過程中水體下吸力變化規(guī)律，并提出優(yōu)化廂體外形的方案。

對于流體的運動，F(xiàn)LOW-3D軟件是通過結構化的矩形交錯網(wǎng)格來離散計算域，通過流體體積法模擬自由表面，運用有限差分法求解各種封閉化后的時均N-S方程來實現(xiàn)的。

計算模型是以該升船機承船廂為原型1∶1建立起來的三維幾何實體。為減少冗余網(wǎng)格并加快運算速度，計算模型將承船廂的上部結構進行適當簡化，根據(jù)承船廂實際尺寸，分別模擬研究了廂體二維縱剖面和三維單梁格模型離水下吸力的變化規(guī)律。

2 升船機承船廂數(shù)值計算結果分析

2.1 承船廂二維縱剖面下吸力數(shù)值計算

二維縱剖面外輪廓按照1∶10進行數(shù)值建模，尺寸為6.20 m×0.56 m，采用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，計算模型及網(wǎng)格如圖1所示。本研究較為精細地建立了主次梁模型，并在劃分網(wǎng)格時對梁格下較小的次梁進行了小尺度的漸變網(wǎng)格劃分。僅在包含二維模型的12.00 m×4.06 m范圍內(nèi)進行計算，水體所占區(qū)域為12.00 m×2.06 m，次梁周邊局部加密網(wǎng)格為0.003～0.010 m的三角形網(wǎng)格，其余網(wǎng)格為0.02 m×0.02 m的矩形網(wǎng)格。底面和左右面均為壁面邊界條件，頂面邊界條件為壓力邊界條件，壓力設置為一個標準大氣壓。

分別采用不同的廂體提升速度V（0.01 m/s、0.02 m/s、0.03 m/s）進行計算，承船廂下表面起始位置位于水面以上0.5 m處，初設時間步長為0.01 s，計算時長為200 s。以廂體受力為縱坐標，以時間為橫坐標，繪制不同速度下二維承船廂出水荷載時程曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，不同廂體提升速度下承船廂所受合力的變化過程大致相同：廂體開始提升時，最大合力升至21 000 N左右，其后伴隨微幅波動;廂體上表面開始露出水面后，廂體底部開始受到下吸力作用，且下吸力的大小隨出水高度的增大而增大，即廂體所受合力不斷減小;廂體下表面完全露出水面時，下吸力達到最大值，即廂體所受合力達到最小值;此后，隨著廂體持續(xù)上升，下吸力迅速大幅度減小，即合力不斷增大。因為研究為二維剖面，無實際質(zhì)量，所以最終合力回到“0”值附近。圖2顯示，3種提升速度對應的下吸力增大程度基本相同，只因廂體提升速度不同，載荷變化的時長不同。

2.2 承船廂整體下吸力數(shù)值計算

三維計算模型的外輪廓按照1∶1進行建模，采用流體仿真軟件進行數(shù)值計算。因整體三維計算網(wǎng)格數(shù)量巨大，計算耗時過長，只取單品梁格部分劃分網(wǎng)格并進行計算。承船廂梁格單品結構如圖3所示。

同樣，設定承船廂提升速度V分別為0.02 m/s、0.03 m/s、0.04 m/s，對比分析不同提升速度下廂體單位下吸力變化規(guī)律。設置廂體模型網(wǎng)格的邊界條件如下：底面為壁面邊界條件，網(wǎng)格四周為壓力邊界條件，保持相同初始水深，頂面為壓力邊界條件，壓力設置為一個大氣壓。為確保模擬結束時廂體已經(jīng)完全出水，計算時長分別為170 s、230 s和345 s。計算結果同樣以廂體受力為縱坐標，以時間為橫坐標，繪制不同速度下三維承船廂模型出水過程的結構受力變化曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，三維承船廂模型提升過程中，廂體所受下吸力與廂體二維剖面受力變化規(guī)律相同，廂體所受荷載穩(wěn)定后不為零，這是因為在三維數(shù)值模擬中，廂體受到重力影響，最終所受合力即為廂體重力。

通過對比可以看出，不同速度對升船機承船廂結構離水過程中下吸力大小基本無影響，僅改變了載荷變化的時長。研究發(fā)現(xiàn)，廂體在離水過程中所受的最大下吸力很大。在本文研究的工程中，最大離水下吸力基本上與廂體重力維持在同一水平，對提升機構的最大提升力有較高的設計要求。因此在實際工程中，采取有效措施減小承船廂離水下吸力顯得十分重要。

3 減小承船廂下吸力的優(yōu)化方案

為減小承船廂離水過程的下吸力，本次研究擬在底部梁格處合理設置通氣孔來釋放壓力。采用三維數(shù)值模擬的方法計算，在距底部梁格主梁底面一定距離處設置直徑為0.35 m的通氣孔，提升速度設為0.03 m/s，計算時長設為200 s，其余條件與小節(jié)2保持一致。

由計算結果可得，承船廂整體受力曲線變化過程與之前一致，但開孔對底部梁格處壓力的釋放效果顯著，開孔后廂體單位面積下吸力降至2 505 Pa，與未開孔相比，下吸力顯著下降?？梢灶A估，隨著開孔面積的增大，下吸力下降程度相應增大。

4 結語

本文運用三維數(shù)值模擬的方法模擬了廂體離水過程中下吸力的變化規(guī)律。研究結果表明，廂體離水下吸力會在廂體底部梁格表面浮出水面時出現(xiàn)并逐漸增大，當廂體底部完全離開水面時，下吸力達到最大，隨后迅速下降至零，并且不同提升速度對廂體離水下吸力的變化過程基本無影響，僅改變了離水下吸力變化速率。由于承船廂廂體底部梁格的存在會導致船廂出水過程中互相分割的空腔難以及時補氣，承船廂離水過程會承受很大的下吸力。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在底部梁格腹板處合理設置通氣孔可以釋放壓力，降低承船廂離水過程的下吸力，為下水式垂直升船機承船廂設計提供了一定的技術指導。

參考文獻：

[1]胡亞安，李中華，李云，等.中國大型升船機研究進展[J].水運工程，2016（12）：10-19.

[2]陳瑩穎.鋼絲繩卷揚垂直提升式升船機整體物理模型全相似模擬[J].水運工程，2014（6）：30-35.

[3]陳震，肖熙.平底結構砰擊壓力的分布[J].中國造船，2005（4）：97-103.

[4]程璐，王本龍，胡亞安，等.下水式升船機船廂入水過程三維數(shù)值模擬技術[J].水運工程，2016（12）：169-175.

[5]竇義哲，陳章蘭.40 m游艇艇艏砰擊壓力有限元分析[J].集美大學學報（自然科學版），2014（6）：442-445.