船闸闸墙长廊道输水系统闸室三维流场数值模拟研究

彭永勤，彭 涛

(1. 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016；2. 中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)



船闸闸墙长廊道输水系统闸室三维流场数值模拟研究

彭永勤1，彭 涛2

(1. 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016；2. 中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)

采用流场计算分析软件Fluent，在利用实测数据对数值模型进行验证后，建立三维数学模型模拟计算了船闸闸墙长廊道输水系统充水过程中的闸室流场，并对输水过程中闸室流场垂向演变规律进行了分析。研究表明：在尺度空间一定和各孔射流比较均匀的条件下，增加侧支孔的数量，漩涡数量增加，漩涡范围减小，有利于船体停泊。

航道工程；输水系统闸室；三维流场；数值模拟

闸墙廊道侧支孔输水系统的型式在船闸工程设计中是灵活多变的[1-4]。目前，没有一种“最具代表性的闸墙廊道侧支孔输水系统”的闸室水动力学特性能够涵盖其他闸墙廊道侧支孔输水系统[5-10]。从理论研究的角度，一种兼具多种闸墙廊道侧支孔输水系统型式共同点的、比较简单的“概念化闸墙廊道侧支孔输水系统型式”或可以为研究复杂的闸室水动力学问题奠定一个比较通用的基础。笔者应用流场计算分析软件Fluent，利用实测数据对数值模型进行验证，计算模拟船闸闸墙长廊道输水系统闸室三维流场，分析输水过程中闸室流场变化规律。

1 网格剖分及边界条件

本次研究对应物理模型按照1∶1的尺寸比例建立闸室水动力学数学模型。由于数学模型的边界形状比较复杂，三维计算网格类型采用四面体非结构化网格。在数学模型计算区域内，侧支孔及孔口附近水流流态变化比较复杂，在划分计算网格时将此区域进行比较细密地划分，如图1。计算区域内非结构化网格四面体单元总数为1 304 240个，计算节点数为274 016个，单元格的体积控制在0.63～1 719.85 mm3之间。

图1 三维数值计算网格

闸室水动力学数学模型的进口边界类型为“速度-时间”边界，流速方向垂直进口断面。根据一般经验，进口断面的流速分布对孔口断面的流速分布影响不大，故在保证流量一致的条件下进口流速取平均值。

进口边界条件的表达式为：

式中：Q(t)为主廊道流量；s为主廊道断面面积。

出口运动流体为空气，采用恒定压力边界条件。在数学模型中，由于模型静止不动，与物模相对应的闸室侧壁面、闸底、消力槛壁面、侧支孔壁面采用了无滑移壁面条件。闸墙廊道侧支孔输水系统闸室水动力学数学模型的计算区域的轮廓和边界条件设置如图2。

图2 计算区域及边界条件

2 数学模型验证

2.1 物理模型试验

闸室模型尺度为2 000 mm×300 mm ×400 mm(长×宽×高)。闸室两侧输水主廊道底部与闸室底部高度持平，断面尺寸为60 mm×60 mm。每支廊道设等间距9个侧支孔，侧支孔尺寸为20 mm×20 mm，支孔间距为150 mm。闸墙两侧侧支孔水平交错布置，底部与廊道及闸室底部齐平，孔轴线与闸室纵轴线垂直。两侧主廊道由分岔管与上游衔接，分岔管呈对称布置，以确保上游来流向两侧主廊道分配的流量基本相等。分岔管上游设平板阀门，阀门控制的廊道面积为120 mm×60 mm。平板阀门上游设水箱，溢流水箱内设平水槽，保证闸室充水过程中水位基本不变，以模拟船闸运行过程中的上游水位状态。

船闸闸墙廊道侧支孔输水系统闸室水动力学试验物理模型由闸室、侧支孔、输水廊道、岔管、平板阀门、溢流水箱(带平水槽)、钢架、水池、输水管道、水泵及阀门等部分组成，模型如图3。

图3 物理模型

闸室瞬态流场采用现阶段研究复杂流场问题最先进的工具——图像粒子测速仪(PIV)进行测定。

2.2 验证结果

由于闸室充水过程的水流为非恒定流，通过物理模型试验和数学模型计算得到的数据量较大。根据速度矢量的时间和空间分布，整体比较数值模拟结果和试验结果的工作是冗余的。本次采用抽取特定时刻和空间的样本比较的方法，抽取物理模型和数学模型样本的时刻为5 s，特征断面与PIV测量的断面相同，即距模型闸底高1 cm处的水平断面。得出左侧3#和9#支孔的流场对比结果如图4、图5。

图4 3#支孔流场

图5 9#支孔流场图

由图4、图5可知，采用重正化群k-ε紊流模型模拟的闸墙长廊道输水系统充水阶段闸室三维流场与闸室水动力学物理模型试验的测量结果吻合良好，证明所建立的数学模型是准确的，可以用于模拟实际的闸室充水过程，且其计算结果将作为闸室水动力特性分析的依据。

3 结果分析

采用侧支孔输水系统布置型式的船闸在充水过程中闸室水流形态最复杂的区域集中在闸室底部侧支孔布置段。笔者围绕上述时间、空间区域，对船闸充水过程的水动力学特性进行分析。

3.1 闸室底部特征断面的流态

选取距离闸室底面1 cm(即z=1 cm)的水平截面作为闸室底部的水流形态的特征断面。侧支孔的高度为2 cm，所选取的特征面处于侧支孔竖向中面位置，可以较清晰地反应底部侧支孔射流的形态。特征断面上的流速分布如图6。

图6 闸室特征断面不同时刻的流态(z=1 cm)

在输水初始时刻t=0.5 s〔图6(a)〕，各侧支孔射流的流量沿主廊道从上游到下游呈现逐渐减小的趋势，射流的中心线沿侧支孔轴线延伸。靠近上游的侧支孔射流在末端交错，下游侧支孔射流处于互不干扰的状态。2 s时刻及以后〔图6(b)、图6(c)〕，闸室两侧侧支孔射流处于充分的交错摆动状态，摆动幅度较大，剧烈程度随时间不断变化。

3.2 闸室底部流态的垂向演变

一般来说，闸室充水之前闸室底部与船舶底部之间有一定的富裕水深。在闸室设计中保持一定的富裕水深主要是为了避免闸室底部流速较大、流态复杂的水体大面积地与船体接触而导致船体受到过大的水流冲击力。因此，在闸室中与船体接触的主要是靠近闸室自由水面的上部水体。闸室底部水体的流态必然影响上部水体。闸室底部流态的垂向演变反映了闸室底部水体的动力因素如何传递至上部水体，是研究闸室水动力学特性和船舶停泊条件重要内容之一。闸室底面以上6 cm(即z= 6 cm)处水平断面流态的数值模拟结果如图7。

图7 闸室特征断面不同时刻的流态(z=6 cm)

距闸室底面6 cm处的水平断面相对1 cm处的水平断面，流速绝对值降低，绝大部分区域在0.15 m/s以下。闸室两侧壁面区域的流速值相对中间区域的流速值较高，是射流末端遇对面边壁阻挡后，转而沿边壁上升形成的。断面流态呈多漩涡排列状，没有明显射流流速分布状态。相邻漩涡方向相反，各漩涡范围相对闸底断面上对应位置漩涡的范围扩大。通过分析上述特征断面流态可知，闸室底部侧支孔射流形成的流态随着水深增加，射流流态逐渐消失，漩涡范围扩大，流速降低，存在射流末端沿边壁上升现象。直观推断，漩涡以顺时针和逆时针依次排列、流速降低和射流主流区消失等现象，对船体在闸室上部水体内受力均匀是有利的。

4 结 语

闸室底部流态的垂向演变的根本原因是水流与闸室边壁的摩擦作用和内摩擦作用。影响水流与边壁的摩擦作用的主要因素为贴壁射流区域的大小、射流流速和射流方向等。在特定来流条件下，上述因素与主廊道和侧支孔设计型式、边壁形状紧密联系。可以推断，通过调整侧支孔和闸室底面的形状，增强射流与边壁的内摩擦在一定条件下对于形成更有利于船舶停泊的上部水体是有益的。

射流主流区之间的相互摩擦是导致底面和上层面漩涡存在的主要因素。底面漩涡在向上延伸过程中，并没有变得杂乱无章，而是有次序地排列。如果船体受顺时针和逆时针漩涡扰动比较平均，则在垂向上所受的力矩则较小。漩涡的数量与交错布置的侧支孔的数量是对应的，在尺度空间一定和各孔射流比较均匀的条件下，增加侧支孔的数量，漩涡数量增加，漩涡范围减小，有利于船体停泊。

[1] 黎贤访.船闸闸墙廊道侧支孔输水系统水力学研究[D].南京:南京水利科学研究院,2008. Li Xianfang.Hydraulics of Culvert Side Orifice Filling and Emptying System for Navigation Locks[D].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2008.

[2] 杨朝东.船闸复杂输水系统输水数学模型及应用研究[D].南京:南京水利科学研究院,1997. Yang Chaodong.A Mathematical Model of Unsteady Flow in Complicated Filling and Emptying System and Its Application[D].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,1997.

[3] 张瑞凯,宣国祥.带调节水池船闸水力计算数学模型[J].水利水运科学研究,1995(1):33-41. Zhang Ruikai,Xuan Guoxiang.Numerical model of hydraulic calculation for lock with regulation ponds[J].Hydro-Science and Engineering,1995(1):33-41.

[4] 吴时强,宣国祥,张瑞凯.三峡船闸末级输水长廊道水力特性数值模拟[R].南京:南京水利科学研究院,1996. Wu Shiqiang,Xuan Guoxiang,Zhang Ruikai.Numerical Simulation on Hydraulic Property of Final Stage Long-Culvert Filling of Three Gorges Ship Lock[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,1996.

[5] 杨忠超,陈明栋,杨斌,等.高水头船闸闸室消能工消能效果实验研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2010,29(3):461-465. Yang Zhongchao,Chen Mingdong,Yang Bin,et al.Experimental study on energy dissipation effect of chamber energy dissipater in superhigh-head lock[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):461-465.

[6] 陈明,宣国祥,陈明栋.船闸输水系统水动力学研究综述[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2013,32(1):157-160. Chen Ming,Xuan Guoxiang,Chen Mingdong.Review of hydrodynamics of lock filling and emptying system[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(1):157-160.

[7] Deardorff J W.A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large reynolds numbers[J].Journal of Fluid Mechanics,1970,41(2):453-480.

[8] Harlow F H,Welch J E.Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface[J].Physics of Fluids,1965,8(12):2182-2189.

[9] Richard L S.Modeling hydrodynamic forces on vessels during navigation lock operations[C]// Hydraulic Measurements and Experimental Methods 2002.U.S.A.:American Society of Civil Engineers,2004:1-9.

[10] Richard L S.Mooring model coefficients for barge tows in a navigation lock[J].Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering, 2003,129(5):233-236.

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，重庆人，工程师，硕士，主要从事通航论证方面的研究。E-mail: 174588703@qq.com。

U612

A

1674-0696(2015)03-072-04