船閘閘墻長廊道側支孔輸水系統閘室內消力檻研究

2020-12-17 12:26:18沈立群劉浩源聶藝博

中國農村水利水電 2020年12期

沈立群，劉浩源，聶藝博，周招

(1.湖省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430070；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 4730072)

閘墻長廊道側支孔輸水系統是一種簡單類分散輸水形式，它是在兩側閘墻中段的底部交錯布設一系列的出水支孔，在閘墻內布置輸水主廊道并與之相連，共同構成水流進出閘室的通道。相較于其他分散輸水系統，該布置形式具有造價低、結構簡單、施工難度小等優點[1]。但由于輸水過程中側支孔涌入的水流在閘室內不易均勻分布，水流能量較為集中，能引起船閘閘室內水體劇烈紊動，影響船只的停泊條件。目前，如何保證船閘輸水系統安全、高效地輸水是船閘水力學研究中主要的課題之一。

船閘輸水過程中應使水體變化較為平穩，水位變化不宜過快，且水流應充分擴散消能，避免產生漩渦、水面坡降較大等不利流態，保證船舶在閘室內的停泊安全[2]。因此研究船閘充、泄水過程中的各項水力學指標，進而驗證船閘輸水系統布置的合理性就顯得尤為重要。對于低水頭(設計水頭不超過9.2 m)[3]閘墻長廊道側支孔輸水系統，一般可以不用布設消能設施，水流從支孔出流后自由擴散，利用船底富裕水體消能；對于閘室起始水深較小的船閘，可以在側支孔前部三分之一的支孔增設改善水流的消能設施，如設置三角形消力塘、將支孔向上偏斜、設導流板等[4,5]。當船閘的設計水頭超過10 m時，徐進超等[6-8]通過試驗研究，提出了在側支孔出口處布置一道消力檻的方案，該方案相當于在一系列出水支孔前形成了縱向單明溝，從而達到改善水流條件的目的。楊忠超[9,10]等通過數值模擬的方式，研究了明溝的消能效果和消能機理；朱磊[11,12]從孔口尺度及消力檻高度入手，通過數值模擬分析不同擋坎高度下的消能效果并進行對比歸納，得出了優化后的單雙明溝的布置方案。上述研究雖然在一定程度解釋了閘室內各種消能工的消能機理，但研究角度主要集中在某一時刻閘室內各種水力參數的對比，輸水全過程中閘室內水力參數的宏觀變化方面的研究有所欠缺。

本文以某船閘工程為背景，借助Flow 3D流體計算軟件對船閘充水過程進行數值模擬，在最不利水位組合下7 min雙邊勻速開啟輸水廊道工作閥門，對輸水全過程中閘室內水流流速、紊動能分布變化進行系統研究，通過對比閘室內無消力檻方案以及設消力檻方案的計算結果來研究消力檻消能機理并評價其消能效果。

1 數學模型

1.1 輸水系統布置形式

該數學模型在實際船閘輸水系統的基礎上進行必要的簡化，簡化后的輸水系統(無消力檻方案)如圖1所示，模擬范圍包括上、下游部分引航道，上、下閘首，閘室以及輸水閥門，三維模型如圖2所示。該船閘采用的是常規的閘墻長廊道側支孔輸水系統，閘室尺寸為180 m×23 m×3.5 m，船閘主廊道斷面面積為35.28 m2，每側廊道的斷面尺寸為4.2 m×4.2 m(寬×高)。出水支孔共布置有48個，每側24個，兩支孔中心線相距5.75 m，對側支孔錯開半個間距布置。支孔喉部斷面尺寸為0.8 m×0.9 m(寬×高)，出水支孔總斷面面積為34.56 m2。支孔沿水流方向長度為3.15 m。在設消力檻方案中，消力檻布置在距出水孔口3倍出水孔口高度附近，消力檻高度取為0.5倍的側支孔高度，即在每排側支孔前2.7 m處增設尺寸為138.0 m×0.45 m×0.45 m(長×寬×高)的消力檻。無消力檻方案與設消力檻方案對比效果圖如圖3所示。

圖1 輸水系統整體布置圖

圖2 船閘三維模型等軸測圖

圖3 閘室橫剖面結構圖(X=146.49 m)(單位：m)

1.2 控制方程、計算網格及邊界條件

本文中三維數值模擬采用Flow 3D流體計算軟件，因為輸水系統充水過程中水流為非恒定流，紊動較為強烈，故采用的黏性和湍流模型為RNGk-ε模型；采用VOF追蹤水體自由表面運動；利用有限差分法進行數值離散，采用GMRES迭代法解其代數方程[13]；采用GMO運動模型來模擬船閘充、泄水過程中輸水閥門的勻速啟閉。

Flow 3D軟件能夠自動劃分模型網格，本計算中選取結構化網格的劃分形式，該形式網格質量高，計算速度較快，Flow 3D計算需要定義網格塊去包圍所要計算的體型，故模型設置3個網格塊體，分別包含左、右兩側輸水廊道計算域、上下閘首及閘室計算域、右側輸水廊道計算域。其中船閘的輸水系統是本文重點研究范圍，且輸水廊道結構較為復雜，因此計算中采用嵌套網格，對左右兩側輸水廊道計算域網格進行加密，模型計算網格單元尺寸見表1。船閘輸水系統三維模型總計約有413個萬網格，其中參與計算的約為204萬個網格。

表1 計算網格單元尺寸表

本計算上游邊界設置為壓力邊界，給定水位條件為50.72 m(上游最高通航水位)，閘室內初始水位設置為37.70 m(下游最低通航水位)；這些邊界均通過給定水位和相應靜水壓力實現。頂部邊界設置為壓力進口邊界，壓力設置為0，流體分數設置為0，即為自由水面。上、下閘首和閘室的邊壁及底板均設置為固壁邊界條件。數值模型和邊界條件設置情況示意圖見圖4。

圖4 數值模擬計算模型及邊界條件

2 結果與分析

2.1 準確性分析

為了驗證船閘數學模型的準確性，將物理模型試驗中得到無消力檻方案的充水水力特性曲線與其數學模型計算成果進行對比，以達到對數學模型進行驗證的目的。采用最不利水位組合(水位組合：50.72～37.70 m)下，閥門7 min雙邊勻速開啟的充水過程中的水位、流量等水力特征參數進行驗證。由于物理模型采用λL=15的比尺且實驗數據存在測量誤差，數學模型采用與原型相同的幾何尺寸且對船閘輸水系統部分結構進行了必要的簡化，兩者數據上存在一定程度的誤差。

物理模型試驗與數模計算水力曲線對比圖如圖5所示。

圖5 水利特性曲線對比圖

根據圖5中列出的水位時間曲線、流量時間曲線的對比情況，可以看出物理模型試驗測量成果與數值模擬計算得出的水位、流量過程曲線基本一致，物理模型試驗實測的輸水時間略大于數值計算所得出的輸水時間，最大流量出現的時刻基本一致。表2列出了輸水時間及最大流量的數模與物模成果對比結果，輸水時間誤差和最大流量誤差分別為4.56%和3.45%，數據吻合度較高，可認為本次數值模擬計算結果較為精確，其計算成果可以對閘室流速、流場、紊動能變化等水力特性分析提供可靠依據。

表2 物理模型試驗與數值模擬計算結果對比表

2.2 流場分布

數模計算中，無消力檻方案采用與設消力檻方案相同的計算參數設置，通過對比兩種方案閘室內各特征斷面的流場、紊動能等指標來研究消力檻的消能效果。

流場是描述流體運動的重要指標，它反映了流體質點運動的快慢，是判定消能效果的重要依據。從圖6與圖7可見：設消力檻方案與無消力檻方案廊道內流速分布規律類似，充水初期，廊道內流速呈上游大、下游小的分布規律，各側支孔出流量亦呈上游至下游遞減的趨勢；隨著輸水閥門開度增大，上閘首與閘室的水位差逐漸降低，廊道內整體流速先增大后減小，整個主廊道內流速自上游到下游分布趨于均勻，當t=540 s時，主廊道內流速基本小于1.0 m/s。從圖8和圖9可見：由于輸水主廊道內水流在流經側支孔時過水斷面面積收縮，故側支孔區域流速遠大于其他區域流速。無消力檻方案中，支孔內最大流速約為6.89 m/s。設消力檻方案中，最大流速約為6.06 m/s。在整個充水過程中，閘室內流速在水深方向上的分布呈現底部流速大，表面流速小的特點，輸水閥門完全開啟后，閘室水體靠近表面區域流速趨近于零。

圖6 無消力檻方案閘室水平剖面流速分布圖

圖7 設消力檻方案閘室水平剖面流速分布圖

整個輸水過程中，由于消力檻對水流流向有改變作用，同一時刻下，設消力檻方案中的各側支孔射流長度要短于無消力檻方案，在充水中期，無消力檻方案中側支孔射流末端一度可以達到對側支孔出口處，會對對側支孔出流產生一定影響，射流能量較為集中；設消力檻方案中閘室底部兩側消力檻之間區域的流速相對于無消力檻方案中的對應區域要小。兩種方案中，側支孔射流末端都會出現擺動現象，擺動的劇烈程度呈現隨時間先增大后減小的趨勢。

從圖8與圖9可見：無消力檻方案中兩側支孔射流直接在閘室底部交匯，相較于無消力檻方案，設消力檻方案水流經支孔進入閘室后，由于受到消力檻的阻擋作用，部分水流改變流向，向上朝閘室縱軸線方向流動；同時部分水流翻越過消力檻，與對側支孔出流在閘室底部交匯，在消力檻前后，支孔射流的動能因內摩擦作用而消殺，閘室底部流速相對于無消力檻工況較小，增設消力檻后，支孔射流核心區域略微抬高，但范圍縮小，整體流態較為良好，改善了充水初期船舶的停泊條件，但閘室底部需預留一定的富余水深，避免在充水初期支孔射流直接沖擊船舶底部。

圖8 無消力檻方案閘室橫剖面流速分布圖

圖9 設消力檻方案閘室橫剖面流速分布圖

2.3 紊動能分布

紊動能是衡量流體的紊動狀態的重要參考指標，從圖10與圖11可見：整個充水過程中，閘室內整體紊動能呈現先增大后減小的趨勢。設消力檻方案中，輸水閥門完全開啟后(t=420 s后)，整個閘室內紊動能趨近于零。與無消力檻方案相比，由于水流經側支孔出流后受到消力檻的阻擋作用，支孔射流流向在此發生較大改變，消力檻之間區域流速較小，側支孔射流在閘室中部交匯后并未產生劇烈碰撞，同一時刻檻后紊動能與檻前紊動能相比略有降低，閘室內最大紊動能出現在t=300 s時，與無消力檻方案最大紊動能出現時間一致，約為0.37 m2/s2，但遠小于無消力檻工況的2.05 m2/s2。無消力檻方案中，t=180～420 s之間，閘室內大部分區域紊動能大于0.62 m2/s2，遠大于同一時刻下設消力檻方案中同一區域紊動能，輸水閥門開啟過程中閘室水流紊動更為明顯，在充水初期閘室水位不高時，會一定程度上影響到船只的停泊安全。