基于航线船闸口门区水力优化数值模拟研究

2019-06-12徐军伟金海银

水利科技与经济 2019年5期

徐军伟，金海银

(江阴市澄江水利农机管理服务站，江苏江阴 214400)

1 概述

为确保过闸船舶航行安全，《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001)对不同级别船闸口门区基于航线的纵横向水面流速作出相应的规定，详见表1 ；引航道、口门区宜避免如泡漩、乱流等不良流态；Ⅰ～Ⅳ级船闸和水流泥沙条件复杂的Ⅴ～Ⅶ级船闸布置，宜通过泥沙、水流物理模型或数值模拟研究确定[1]。物模实验能反映水流流动规律，可信度高，但是周期长、费用高；CFD数值模拟技术能全面反映水流流场要素，且计算精度随着CFD数值模拟技术多年发展大幅提高，已被很多物模实验所证明[2-3]。关于船闸引航道及口门区的水力计算，有关学者在恒定流、非恒定流基础上分析了引航道及口门区复杂水流形成、发展、传播过程机理，提出了有效措施改善通航水流，并通过物模实验验证船闸布置的可行性[4-5]。对于与引航道、口门区及引河主流成一定角度的航线，船舶行驶过程中口门区域水流流动复杂，给船舶航行安全带来很大影响，须通过CFD数值模拟水力优化获得最佳航线方案。

表1 口门区水面最大流速限制

2 工程概况

奔牛水利枢纽工程位于新孟河与京杭运河交汇处，该枢纽工程由穿京杭运河立交地涵、船闸、节制闸和孟九桥4部分组成(图1),其中船闸级别为Ⅵ级，设计过闸船型为100 t货船，高水位通航时兼顾300 t货船过闸，代表设计船型见表2[6-7]。该枢纽工程水工况引水流量565 m3/s，水位4.41 m，来流流量大，水位低，表流流速大。且立交地涵北侧引河与节制闸下游引河区域水流交汇，导致船闸引航道附近及其口门区水流流态、流速分布变化较为复杂，又因船舶过闸航线与新孟河主流中心线成22°交角(图2)，对船舶停靠或航行带来较大的安全隐患，不利于船舶进出闸。在上述复杂水流条件下，该枢纽工程初设阶段急需物模实验或CFD数值模拟计算优化整个工程布局。

图1 奔牛水利枢纽鸟瞰图

图2 奔牛水利枢纽计算区域

表2 代表设计船型

3 模型概化误差与计算分析难点

3.1 数学模型概化误差

奔牛水利枢纽船闸、节制闸口门区与新孟河侧引河道底高程存在2.3 m高度落差，且该水流交汇区域流动条件不佳，存在大尺度回流等不良流态，造成口门区域附近存在微小的水面波动，且立交地涵与新孟河侧引河道放坡连接，整个流动区域非严格意义的平面流动。参照以往工程经验，结合本工程布置特点，取新孟河铁路桥墩东侧水平段河道为该数学模型速度进口；取立交地涵进口处为出口面，自由出流；假定水流表面为没有波动的平面，即刚盖假定。上述设置与假定给计算分析结果带来一定的误差，综合本工程物模实验与数值模拟结果之一船闸引航道流速分布对比(图3、图4)，其误差可在工程接受范围内。

3.2 计算分析难点

该枢纽航线以圆弧段、直线段连接经过铁路桥墩穿越引河道进入船闸引航道，而新孟河侧节制闸、船闸与京杭运河正交布置。如何获取平行、垂直航线的水流表流纵横向速度分布，成为计算分析难点。通常解决方法是编程定义矢量或旋转几何模型，以某段直线段航线平行于X坐标进行迭代计算。本文采用第二种方法，以船舶航行穿越新孟河主河道航线为最不利航线。

图3 船闸引航道数模成果

图4 船闸引航道物模实验成果

4 控制方程

控制方程采用三维雷诺时均N-S方程来描述该枢纽船闸口门区水流不可压缩湍流流动，方程式如下:

连续性方程：

雷诺时均N-S方程：

5 方案分析

为保证过闸船舶的航行安全，不仅在初设阶段对该枢纽水流流动条件详细论证外，还要对初设批复后该工程布置状况进行航评计算，并进行水力优化，使船闸口门区及引航线区域通航条件满足《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001)要求。

该工程船闸口门区及引航线区域表流纵横向流速分布水力优化的原则基于以下两点：第一不改变工程方案布置，只调整船闸最不利引航线与引河中心线交角大小；第二不再调整船闸最不利引航线与引河中心线交角，即交角一定时只调整引河河岸线布置。

5.1 初步设计方案

该枢纽初步设计方案在新孟河侧隔水墙前端布置隔流墩，原先设想其作用是改善船闸引航道口门区局部区域流态，减小最不利流速分布区域。设置隔流墩后，船闸引航道横向流速分布见图4。导流墩附近区域横向流速小于0.25 m/s分布区域已减小，达到了改善效果，但其改善效果是基于船舶航行已进入船闸引航道。从新孟河引河道进入船闸引航道口门区这段航线纵横向流速分布，原先物模实验单位未给出成果。综合考虑，采用CFD数值模拟技术详细论证。

初设方案中，船闸口门区平行于最不利航线纵横向流速分布见图5。纵向流速小于1.5 m/s，横向流速介于0.25～0.30 m/s之间且分布区域广，不符合《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001)5.3.2条规定，严重威胁船舶航行安全。该枢纽初步设计方案航线设置不符合相应规范要求，须重新调整船闸引航线或枢纽工程引河河岸线。

图5 初设方案船闸引航道口门区表流纵横向流速分布云图

5.2 调整船闸最不利引航线

5.2.1 方案二

船舶在水流较好且无不良流态的航道沿着水流主流方向航行时，表流横向流速速度较小甚至为零。但船舶航行方向与主流水流成一定角度时，表流横向流速速度较大甚至分布区域广。参照本工程初设方案船闸口门区关于航线的水力计算成果，本工程航线调整原则是减小最不利航线与引河中心线夹角，即夹角越小，符合船舶航行的横向流速分布区域越广。方案二在初步设计方案基础上取消新孟河侧隔水墙前端隔流墩，调整原最不利航线，即调整α为19.25°。

方案二中，船闸口门区基于最不利航线的纵横向流速分布见图6。平行于最不利航线的纵向流速最大值小于1.5 m/s，垂直于最不利航线的横向流速介于0.25～0.30 m/s之间，且大范围区域分布在最不利航线四周，在0.30～0.35 m/s范围内的区域与初设方案相比较有所减小。方案二数模成果仍不符合《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001)5.3.2条规定，仍然严重威胁船舶航行安全。

图6 方案二船闸引航道口门区表流纵横向流速分布云图

5.2.2 方案三

方案三在方案二基础上，调整引河铁路桥墩在引河中相对合理位置，使最不利航线接近平行于船闸引航道东侧直立挡土墙。该方案的优点是最不利航线与引河河道中心线夹角较小，有利于船闸口门区基于最不利航线的纵横向流速分布不均匀程度一定程度上减小，使得纵横向流速分布相对符合规范要求。见图7。

通过调整铁路桥墩在引河中位置，使得船闸引航道口门区表流不利横向流速得到极大的改善，绝大部分区域横向流速大小符合《船闸总体设计规范》(JTJ 305-2001)5.3.2条规定，只有在隔水墙前端端部面积不超过几个平方很小的区域不符合要求，见图7(b)。隔水墙前端端部可设置导流墩来改善(详见图4成果)，使得表流横向流速可在0.25 m/s范围以内，满足规范要求。

调整铁路桥墩在引河中位置可获得该枢纽工程船闸过闸船舶最佳进出航线，但该方案却有先天性的不足，不足之处有以下几点：

1) 本工程引水工况4.41 m为瞬时水位，非常水位，且船舶航行最不利横向流速分布区域小，影响船舶航行的时间短。

2) 调整铁路桥墩在引河中位置需要进行铁路桥墩方案论证，且获得铁路相关部门的支持。

3) 枢纽建设管辖部门与铁路部门沟通、协调成本高。