船闸闸室明沟消能工消能效果三维数值模拟

吕伟东 ，刘平昌 ，陈 亮 ,张绪进

（1.重庆交通大学,重庆 400074；2.广西西江开发投资集团有限公司，南宁 530022；3.重庆西南水运工程科学研究所,重庆 400016）

船闸闸室明沟消能工消能效果三维数值模拟

吕伟东1，2，刘平昌1，3，陈 亮1,张绪进1，3

（1.重庆交通大学,重庆 400074；2.广西西江开发投资集团有限公司，南宁 530022；3.重庆西南水运工程科学研究所,重庆 400016）

利用多重网格技术及VOF方法，在恒定流情况下，对侧墙长廊道单明沟、双明沟及三明沟消能工充水过程进行三维数值模拟。分析和比较各型式明沟的剩余比能、动能及流场分布，综合评判各型式明沟消能工的消能特性。研究结果表明，3种明沟型式比较，三明沟布置消能效果最优，单明沟和双明沟各项消能指标较接近，但双明沟消能条件下，其布置更为灵活，消能空间更大，水流分布亦较单明沟更为均匀，尤其是在减小闸室内横向水流对船舶的作用力方面较单明沟型式优越。

三维数值模拟；明沟消能工；消能效果

Biography：LV Wei-dong（1968-），male，senior engineer.

对于船闸闸室消能工，早在20世纪30年代，美国开始在部分船闸底部横支廊道前沿采用单明沟消能工［1］。国内从20世纪50年代开始，陆续在长江三峡船闸、葛洲坝二号等船闸设计、施工中也采用单明沟消能工［2-4］；21世纪初开始，国内相关研究单位对闸底廊道双明沟消能布置进行了物理模型试验研究，并应用于工程实践；随着国内一批中低水头、大尺度闸室船闸侧墙廊道工程的建设，由于其输水廊道布置于闸墙内，闸室内有足够的空间布置多明沟消能。因此，需要对其消能特性进行研究。目前采用的研究方法主要以物理模型试验为主，近几年通过大量的物理模型试验和原型观测成果，使得对输水时不同消能工的消能机理及水流消能引起的局部水流流态数值模拟研究和计算方法已趋一定进展，但系统建立三维数学模型，模拟计算、评判3种明沟型式的消能特性、消能效果的研究资料较少。因此，以贵港二线船闸为依托，选取其闸室中间段5个支孔为研究对象，利用本数学模型对各种明沟型式消能工进行三维数值模拟，系统的分析各明沟消能工消能特性、消能效果，并提出最优的明沟型式。为进一步进行物理模型试验提供方案参考。

1 计算模型及工况

1.1 控制方程

计算模型选用紊流模型中的雷诺时均法RNG k-ε紊流模型。该模型与标准湍流模型的主要区别：（1）方程中的常数是用理论推导得出的，并非用实验方法确定；（2）耗散方程及系数体现了平均应变率对耗散项的影响，因此对高速射流的各向异性能较好地模拟。因此，本研究采用RNG k-ε紊流模型，其连续方程、动量方程和k、ε方程可分别表示如下

式中：ρ和μ分别为体积分数平均的密度和分子粘性系数；vt为紊流粘性系数，它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出。

以上各张量表达式中，i=1,2,3，即{xi=x,y,z}，{ui=u,v,w}；j为求和下标，方程中通用模型常数取值为：h0=4.38,b=0.012,Cm=0.085,C2e=1.68,Sk=0.717 9,Se=0.717 9。

对闸室水面模拟，采用VOF模型。引入VOF模型的k-ε紊流模型方程（1）～（4）与单相流的k-ε模型形式是完全相同的。只是密度ρ和μ的具体表达式不同，它们是由体积分数加权平均值给出，也就是说，ρ和μ是体积分数的函数，而不是一个常数。它们可由下式表示

式中：αw为水的体积分数；ρw和ρa分别水和气的密度；μw和μa分别为水和气的分子粘性系数。通过对水的体积分数的αw迭代求解，ρ和μ值都可由式（5）～（6）求出。水的体积分数αw的控制微分方程为

本文采用有限容积法对上述偏微分方程组进行离散，为反应压力对速度的影响，压力—速度耦合求解使用S I M P L E R法。

图1 各型式明沟消能闸室网格剖分图Fig.1 Grid subdivision graph of each open ditch energy dissipation lock chamber

1.2 计算段闸室

以贵港二线船闸闸室中间段5个支孔、取闸室宽度的一半为计算对象，计算闸室段几何尺寸为4 2.5 m×1 7 m×1 7 m（长×宽×高），数学模型采用1：2 0比尺，所以计算段闸室尺寸为2.1 2 5 m×0.8 5 m×0.8 5 m（长×宽×高）。为使闸室内水流接近于恒定流，在起始水深以下开一个0.6 m×0.2 m泄水阀门。分别建立单明沟、双明沟及三明沟型式的闸室三维模型，采用六面体和五面体对计算域进行剖分［5－7］。图1为三明沟消能闸室网格剖分图，图2为双明沟细部布置图。

1.3 边界条件处理

对于闸室内存在的自由表面，采用三维V O F法进行计算。对于进出口条件，由于闸室内水流为恒定流，所以进出口均有流量控制。固壁边界条件由壁函数方法给定［8－10］。

图2 双明沟布置图Fig. 2 Arrangement of double open ditches

1.4 计算工况

本文计算工况采用5 m i n开门，阀门开度为n=0.8时水位及流量，其计算模型流量为2 7.5 L/s，计算水深为6 0 c m。

2 计算结果分析

2.1 横断面流场分布

图3显示了3个消能明沟型式横向剖面流场分布，可见3个剖面流场明显不同。单明沟流态为：水流出支孔后射入闸室，受单明沟内低槛阻挡，水股上抬从低槛表面水平射向闸室中部，同时水股分散，受明沟边墙阻挡，水流上升，在闸室内形成逆时间方向旋涡；双明沟流态为：水流出支孔后射入闸室，水流受挡板阻挡，部分水流分散上升，部分水流从挡板中孔进入闸室后部，受明沟边墙阻挡，水流上升，在闸室内形成2个逆时间方向旋涡。三明沟流态为：水流出支孔后射入闸室，水流受第一道挡板阻挡，部分水流分散上升，部分水流从挡板中孔进入第二道明沟，受第二道挡板阻挡，部分水流进一步分散上升，部分水体通过第二道挡板中孔进入闸室中部，受明沟边墙阻挡，水流上升，在闸室内形成2个相反方向旋涡，尺度均较小，第一个旋涡位于第二道明沟之前，为逆时间方向旋涡；第二个旋涡位于闸室后部，为顺时间方向旋涡。

图3 横断面流场分布Fig.3 Transverse flow field distribution

图4 纵向剖面流场分布（Y=0.2 m）Fig. 4 Longitudinal profile flow field distribution（Y= 0.2 m）

2.2 纵剖面流场分布

图4是Y=0.2 m纵剖面流场二维显示，可见单明沟受低槛阻挡，明沟底部水流较为分散，双明沟和三明沟由于挡板透水，流股较为明显。从流速分布来看，3种型式明沟底部流速均较大，由于三明沟消能更为充分，在Z≥0.2 m区域内，流速基本均匀，且较小。而单明沟和双明沟消能效果较低，在Z≥0.2 m区域内流速仍较大，且分布不均。Y=0.4 m剖面（图5）与Y=0.2 m剖面规律和结论基本相同。

2.3 消能效果比较

对某一水面剖面，剩余比能按式（8）计算，计算结果如表1所示。

由图6可看出各明沟型式的剩余比能。在无论何种水深下，三明沟的剩余比能均较单明沟和双明沟要小，双明沟及单明沟随着水深的不同剩余比能值互有交替。就剩余比能来看三明沟消能效果最优，单明沟和双明沟指标较接近，消能效果也较为接近。

表1 各水深断面剩余比能及动能统计表Tab.1 Residual ratio and kinetic energy of each depth section

图5 纵向剖面流场分布（Y=0.4 m）Fig.5 Longitudinal profile flow field distribution（Y= 0.4 m）

为更好的比较3种型式的消能工，提取各断面流速按式（9）计算了各断面动能，计算结果如图7所示。

从图7中可见，三明沟消能设施布置各剖面能量均小于单明沟和双明沟，说明三明沟消能效果最优。而单明沟与双明沟各剖面能量基本相当，而在水面处单明沟能量还略大于双明沟，说明双明沟消能效果略好于单明沟。

图6 剩余比能比较图F i g.6 C o m p a r i s o n o f r e s i d u a l r a t i o

图7 各水深断面动能比较图Fig.7 Comparison of kinetic energy for each depth section

4 结论

（1）经三维数值模拟闸室内各型式明沟消能工消能效果比较，其结果表明，三明沟消能设施较单明沟、双明沟，流场分布更均匀，且剩余比能及动能等指标均较优。说明三明沟较单、双明沟消能效果更好，对闸室内水流的二次调整作用更明显；而双明沟与单明沟消能设施比较，虽然其闸室内纵横向流场分布、剩余比能指标较接近，但其断面动能在水面处单明沟能量略大于双明沟，说明双明沟消能效果略好于单明沟。

（2）明沟型式的消能机理主要是在出流挡板末端消能，孔口出流的突扩生成大量的旋涡以及水流的相互剧烈掺混，明沟及闸室中部的水体进行质量、动量和能量的交换，由于内外摩擦作用，在水流动能转变为势能的过程中，流场急剧改变，致使水流内部相对运动加剧、碰撞和摩擦作用亦加强，消耗了大部分能量。

［1］U S Army Corps Engineers．Hydraulic Design of Nay Lgation Locks［R］．Washington：U S Army Corps.，1975.［2

［2］JTJ306-2001,船闸设计规范［S］.

［3］须清华．葛洲坝工程二号船闸输水系统水工模型终结试验报告［R］．南京：南京水利科学研究院，1981．

［4］宗慕伟.三峡双线连续五级船闸总体运行水力学试验研究［R］.南京：南京水利科学研究院，1995.

［5］刘平昌,彭永勤,王召兵.贵港二线船闸侧墙廊道输水系统水力学试验研究报告［R］.重庆：重庆西南水运工程科学研究所,2010.

［6］张绪进.贵港航运枢纽二线船闸输水系统水力学试验研究［J］.水利水运工程学报,2012（8）：34-38.

ZHANG X J. Research of Hydraulic Experiment About Second-line Ship lock′s Filling-emptying system of Guigang Navigation Project ［J］.Hydro-science and engineering, 2012（8）:34-38.

［7］张绪进，宣国祥，刘平昌.船闸输水过程消能机理及船舶系缆力计算方法研究总报告［R］.重庆：重庆交通大学，2 0 1 3.

［8］宣国祥，李君.船闸输水系统水力学创新技术研究与实践［R］.南京：南京水利科学研究院,2009.

［9］杨忠超.高水头船闸闸室明沟消能效果及机理分析［J］.水运工程,2009（12）：169-173.

YANG Z C.Energy dissipation effect and mechanism of open ditch energy dissipater in high-head lock［J］. Port & WaterwayEngineering,2009（12）：169-173.

［10］杨忠超.高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟［J］.水利水电科技进展，2010（4）：10-14.

YANG Z C. Three dimensional numerical simulation of figure optimization of valves of high head Iock［J］.Advances Science andTechnology of Water Resources，2010（4）:10-14.

Three-dimensional numerical simulation of energy dissipation effect in energy dissipater of lock chamber open ditch

LV Wei-dong1,2,LIU Ping-chang1,3,CHEN Liang1,ZHANG Xu-jin1,3
（1.Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,China;2.Guangxi Xijiang Development&Investment Group Co.Ltd.,Nanning530022,China;3.Southwestern Research Institute of Water Transport Engineering,Chongqing400016,China）

By using the multi-grid technique and VOF （Volume of Fluid）method,the local mathematical model of lock chamber was developed.The energy dissipation process of the open ditch,double ditches and three ditches were simulated by three-dimensional model in the steady flow circumstances.Then the distribution of residual energy,kinetic energy and flow field were analyzed,and the energy dissipation effects of all types of energy dissipaters were compared in order to point out the optimal open ditch.The results show that various criteria on energy dissipation of open ditch are close to those of double ditches,and the energy dissipation effect of three ditches is optimized,but the energy dissipater of double ditches has much larger space.

three-dimensional numerical simulation;energy dissipater;energy dissipation effect

U 641；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0508-05

2013-03-07；

2013-04-15

交通运输部科技项目（20118323501580）

吕伟东（1968-），男，广西陆川人，高级工程师，主要从事内河航运的开发、运营及研究工作。