船闸短廊道格栅消能室消能特性研究

陈 明，梁应辰，宣国祥，陈明栋

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.中华人民共和国交通运输部，北京 100736； 3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)



船闸短廊道格栅消能室消能特性研究

陈 明1，梁应辰2，宣国祥3，陈明栋1

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.中华人民共和国交通运输部，北京 100736； 3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

针对带格栅消能室的船闸短廊道头部输水系统，建立了整体输水系统三维模型；通过RNGk～ε双方程紊流模型，廊道工作阀门的开启过程利用动网格技术，并结合自由水面处理技术的VOF法，对船闸正常运行工况的灌水全过程进行了三维流动动态仿真研究。以试验观测得到的水位、流量和流速过程线，验证了数学模型和数值方法。根据消能率和闸室自由水面紊动能总量，分析了格栅消能室的消能效果；依据紊动能、紊动耗散率及流速分布揭示了消能机理。结果表明：格栅消能室可消耗90%以上的水流能量，且主要的能量消耗发生在消能室内大量水流能量的交换过程中。

航道工程；船闸；输水系统；消能；数值模拟

0 引 言

带格栅消能室的短廊道输水型式系一种典型的船闸集中输水系统，应用较为广泛，我国的连江、高砂、丹竹、芒稻、兴隆等船闸均采用了该类输水型式。目前，对于集中输水系统消能工消能特性的研究仍以物理模型试验为主。早在20世纪70年代，对于集中输水系统消能工的设计和消能效果，荷兰Delft水工实验室就进行了相关的试验研究[1]。在我国，周华兴[2]试验探讨了船闸的垂直竖井输水系统封闭式消能工的设计及其消能效果；连恒铎[3]通过模型试验对一组不同消能设施的消能效果进行了比较，结果表明采用倒口消能设施不但出流流态最平稳而且获得了基本消除险象紊动的效果；邹炳生等[4]根据短廊道输水消能机理，结合工程经验及输水模型试验，探讨了短廊道输水双层格栅消能室及其消能工设计中的问题；吴英卓等[5]针对兴隆船闸采用的短廊道格栅消能室的输水系统，通过物模试验分析了消能室出口处局部消力设施的消能效果。

采用模型试验方法，不仅耗时长，投入经费多，而且结果受试验条件及观测技术影响，存在一定的尺度效应和误差。更重要的是难于得到输水系统内较为复杂水流结构及与消能有关的水力要素(如紊动能，紊动耗散率等)。基于此，笔者针对某船闸带格栅消能室的短廊道集中输水系统，采用数值模拟的方法对船闸正常运行工况的灌水全过程进行三维水流动态仿真，研究了格栅消能室的消能效果并揭示了消能机理。

1 数学模型

1.1 基本方程

船闸灌水过程的不可压非恒定流是通过数值求解RNGk～ε紊流模型[6]而得，该模型的不可压缩非定常流控制方程张量形式如下：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

紊动动能k输运方程

(3)

紊动动能耗散ε输运方程

(4)

式(1)～式(4)采用控制体积法进行离散，压力、速度的耦合求解利用SIMPLEC算法。对无滑移的固壁边界利用壁面函数法。阀门井及闸室自由液面采用水汽两相流的VOF模型[7]进行处理。

1.2 网格剖分及边界条件

计算模型选取某船闸工程带格栅消能室的短廊道头部输水系统(图1)，闸室有效尺寸为140 m × 14 m × 2.5 m(长 × 宽 × 槛上最小水深)，上游最高和最低通航水位分别为45.00，40.50 m，下游最高和最低通航水位分别为43.37，36.00 m。因此其正常工作水头H=9 m。格栅消能室正面布置12个格栅孔，顶面布置两排格栅孔，共24个。

图1 船闸输水系统Fig.1 Shiplock filling and emptying system

该模型计算区域较大且复杂，包含了上引航道在内共199 m的范围，因此采用分块四面体和六面体混合网格剖分计算区域，同时对复杂和重点研究部位(阀门廊道段和格栅式消能室及其附近区域)进行了网格加密处理，剖分网格单元总数约920 000个，节点总数约360 000个。计算区域及工作阀门廊道段网格剖分如图2。

图2 计算区域及网格剖分Fig.2 Grid of computational area

鉴于上游引航道断面平均流速较小，其产生的动水压力值较小，所以进口断面可采用沿水深分布的静水压力进口边界；两侧阀门井顶部自由液面直接与大气相通，采用空气压力进口；闸室自由液面同样与大气相通，采用空气压力出口。设定的计算边界条件如图2所示。针对阀门开启过程，为保证网格质量，采用动网格技术调整和更新阀门运动后的网格[8]。

根据闸室底部高程(32.50 m)和下游最低通航水位(36.00 m)可知，在T=0 s时，闸室初始水深为3.5 m。此外，阀门开启方式与开启速度对输水流量及闸室水流条件影响较大。进行数值计算时，阀门按7 min匀速开启方式，速度为6.4 mm/s。

1.3 数学模型验证结果

采用船闸整体水工物理模型(比尺为λL=36)实测的灌水过程水力特性(包括水位、流量及流速过程线)对数学模型进行验证。

1.3.1 水位、流量验证

图3 水位、流量实测与计算值比较Fig.3 Comprison of calculated and experimental H and Q

图3对比了灌水过程闸室中心点的水位及输水流量计算值与实测值。由图3可知，两者灌水时间相差甚微，计算为535 s，实测为540 s，误差仅为0.93%。水位变化过程线吻合较好，流量变化曲线与实测曲线基本一致。最大流量计算值为58.06 m3/s，实测值为60.58 m3/s，误差为4.16%。此外，在420 s附近时段(即阀门开度约为0.79)，计算流量值相对偏大，原因在于当工作阀门开度大于等于0.8后，原型流量系数大于模型流量系数所致[9]。

1.3.2 流速验证

在测定船闸灌水过程闸室的非恒定三维流速时，选取距闸室起始断面57 m的横断面上不同水深处的任意3点，具体位置见表1。

表1 测点位置

闸室非恒定瞬态流速的采集采用三维点式声学多普勒ADV流速仪进行测量。根据主流方向(x方向)的流速计算值与实测值间的过程线对比(图4)知，在整个灌水过程中，数值计算的非恒定流速总体变化趋势与实测值基本吻合，较好地捕捉了闸室水流特性。

图4 主流方向(x方向)流速过程线比较Fig.4 Comprison of calculated and experimental x-velocity of measure points

2 消能效果

2.1 消能率

以左右廊道出水口(1-1和2-2)为格栅消能室的入流进口，以正面和顶面格栅孔(3-3和4-4)为格栅消能室的出流口(图5)，通过水流能量可建立格栅消能室的消能率计算公式。

图5 格栅消能室的消能率计算断面位置Fig.5 Cross sections used for computation of energy dissipation rate

在格栅消能室段，水流能量主要以动能为主，因此消能率η可表示为：

(5)

式中：E1-1～E4-4分别为左右廊道出水口水流动能以及正面和顶面格栅孔出流剩余动能，均按式(6)进行计算。

由文献[10]可知，某一断面上的水流动能E可按式(6)计算：

(6)

式中：Ac为某一研究断面；v为水流流速大小；S为积分曲面。

根据式(5)可求出在整个灌水过程中关于格栅消能室的消能率，见图6。可见消能率值均在90%以上，说明该类集中输水系统90%以上的水流能量主要倚靠格栅消能室予以消耗。

图6 格栅消能室的消能率时程曲线Fig.6 The time-history curve of energy dissipation rate of room

2.2 闸室自由水面紊动情况

闸室水面的紊动或涌动情况是判别消能设施的消能效果的另一个重要方面。笔者以有无设置格栅消能室时的闸室自由表面紊动能进行对比研究格栅消能室的消能效果。

若以闸室自由水面上的紊动能总量来分析整体紊动情况或水面涌动情况，可通过式(7)计算某一面上的紊动能总量：

(7)

式中：Af为所研究的闸室自由水面；k为闸室自由水面上任意处的紊动能。

对集中输水系统，闸室自由水面紊动较为强烈的部位主要位于闸室的上半部分，笔者重点研究靠近格栅消能室附近的一段闸室区域(14.8 m≤x≤65 m)。

图7为在有无格栅消能室情况下灌水期内前340 s(包括出现最大流量的时刻在内)闸室自由表面紊动能总量。

图7 有无格栅消能闸室自由表面紊动能总量的比较Fig.7 Comparison of total turbulent kinetic energy on free surface in lock chamber with and without energy dissipation room

从图7中可看出，设有格栅消能室后的水面紊动明显小于未设置格栅消能室的情形，且最大差值达55.83 m4/s2，说明格栅消能室的设置与否对该类输水系统的设计和正常运营起关键作用。同时还应注意，尽管格栅消能室的消能效果相对于无消能设施的情况较为显著，但由于消能室内未布设任何型式的辅助消能工，在模型试验时对闸室流态的观察发现，闸室水面的紊动对船舶的停泊条件依然造成一定影响。紊动能总量的最大值9.05 m4/s2亦可解释实验观测的现象，说明采用的格栅消能室尚存在较大的改进余地。因此，为了达到更加优越的消能效果，需对格栅消能的消能工布置型式或体型作进一步的研究。

3 消能机理

揭示格栅消能室的消能机理，既可充分解释其消能效果，又对其水力设计具有重要指导意义。实际上，格栅消能室消能过程即为水流能量的传递和转换过程，而紊动能k和紊动耗散率ε是反映能量传递和转换特性的重要参数。若紊动能和紊动耗散率的值越大，则能量传递和转换速率也越快。

限于篇幅，图8仅给出了在最大闸室断面平均流速时水平剖面y=-5 m上的紊动能和紊动耗散率分布。从图8中可知，紊动能和紊动耗散率主要分布在格栅消能室所处的位置(14.8 m≤x≤20.2 m)，由此也说明水流能量的传递和交换主要集中在格栅消能室内发生。

图8 闸室特征水平剖面紊动能、紊动耗散率分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution and Turbulent dissipation rate distribution on horizontal section in lock chamber

格栅消能室通过水流能量的传递和交换进行消能是左右两侧廊道内的两股高速水流进入消能室后发生强烈碰撞和对冲，大部分水体参与并形成两个较为强烈的反向漩涡，在左侧形成顺时针漩涡，在右侧形成逆时针漩涡，如流速矢量图9，与此同时，水流与消能室壁面发生剧烈摩擦。在以上多种运动方式的助推下发生水流剪切、摩擦、掺混等现象。

图9 闸室特征水平剖面流速矢量(T=209 s)

由于黏性作用，由时均动能转化来的脉动动能变为热能耗散，水流损失了能量，从而引起水流动能向热能的交换，以取得能量消刹的效果。事实上，格栅消能室的消能过程可分为三步：

1)在高速水流由廊道流入消能室时，由于断面的突扩，形成了第1次水流能量扩散过程；

2)在消能室内发生大量水流能量交换过程；

3)当水流流经格栅孔时，由于断面的突缩和突扩，致使水流能量得到进一步消耗。

4 结 论

船闸带有格栅消能室的短廊道头部输水系统，其输水过程产生的水流属非定常流，流态相当复杂。笔者采用三维数值模拟研究手段，得到流速分布、紊动能和紊动耗散率分布等详细的水力特性，研究得到以下结论：

1)数值模拟结果与物理模型实测数据对比结果表明：两者吻合较好。验证了数值计算结果的合理性和可靠性，说明利用文中提出的数值计算方法进行船闸输水全过程三维流动的动态仿真研究是可行的。

2)通过对格栅消能室的消能效果分析得知，格栅消能室的消能率较高，可消耗90%以上的水流能量，但由于消能室内未布设任何型式的辅助消能工，闸室内仍存在一定程度的水面紊动。因此采用何种消能工布置型式以稳定闸室自由水面需作进一步的研究。

3)在对消能机理的研究中，提出格栅消能室的消能量主要包括高速水流由廊道流入消能室时消耗的能量、在消能室内发生大量水流能量交换过程消耗的能量，以及水流流经格栅孔时消耗的能量3部分。而且，主要的水流能量消刹是发生在消能室内进行大量水流能量的交换过程中。

[1] Delft Hydraulics Laboratory.Low-Head Navigation Lock Door Filling and Emptying Systems Developed Hydraulic Investigation [R].Delft:Delft Hydraulics Laboratory,1973.

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[4] 邹炳生,王召兵.双层格栅消能室在中水头短廊道输水船闸中的应用[J].水运工程,2002(8):54-57,62. Zou Bingsheng,Wang Zhaobing.Application of double-deck grid stilling chamber in middle water head short-culvert conveyance shiplock [J].Prot & Waterway Engineering,2002(8):54-57,62.

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[10] 王作高.船闸设计[M].北京:水利电力出版社,1992. Wang Zuogao.Design of Shiplock [M].Beijing:Water Resources and Electric Power Press,1992.

Energy Dissipation Characteristics of Room with Grating Holes of Shiplock Filling and Emptying System

Chen Ming1，Liang Yingchen2，Xuan Guoxiang3，Chen Mingdong1

(1. Key Laboratory of Hydraulic & Waterway Engineering of the Ministry of Education of the People’s Republic of China, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Ministry of Transport of the People’s Republic of China, Beijing, 100736, China; 3 Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

As for the lock-head filling system of shiplock composed of short culverts and energy dissipation room with grating holes, its whole 3-D model was established. Through RNGk～εmodel of turbulence flow, the 3-D numerical simulation for dynamic characteristics of filling flow under the normal operation condition were conducted by using dynamic mesh technology for the valve and method. According to the energy dissipation ratio and the amount of free surface turbulence kinetic energy,the energy dissipation effect of room with grating holes was analyzed. According to the turbulence kinetic energy, turbulence energy dissipation ratio and velocity distribution, the energy dissipation mechanism was revealed. The results indicated that more than 90% of thewater flow energy can be consumed by the energy dissipation room with grating holes and the energy consumption mainly occurs in the process of energy exchange in the energy dissipation room.

waterway engineering; shiplock; filling and emptying system; energy dissipation; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.17

2013-05-06；

2015-06-10

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1400322)；重庆市科委自然科学基金项目(CSTC2011JJA30002)

陈 明(1983—)，男，江西九江人，博士，主要从事通航水力学方面的研究。E-mail：chenmingjy@126.com。

U641.1

A

1674-0696(2015)05-084-05