船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统闸室内消力槛研究

沈立群，刘浩源，聂艺博，周 招

(1.湖省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 4730072)

闸墙长廊道侧支孔输水系统是一种简单类分散输水形式，它是在两侧闸墙中段的底部交错布设一系列的出水支孔，在闸墙内布置输水主廊道并与之相连，共同构成水流进出闸室的通道。相较于其他分散输水系统，该布置形式具有造价低、结构简单、施工难度小等优点[1]。但由于输水过程中侧支孔涌入的水流在闸室内不易均匀分布，水流能量较为集中，能引起船闸闸室内水体剧烈紊动，影响船只的停泊条件。目前，如何保证船闸输水系统安全、高效地输水是船闸水力学研究中主要的课题之一。

船闸输水过程中应使水体变化较为平稳，水位变化不宜过快，且水流应充分扩散消能，避免产生漩涡、水面坡降较大等不利流态，保证船舶在闸室内的停泊安全[2]。因此研究船闸充、泄水过程中的各项水力学指标，进而验证船闸输水系统布置的合理性就显得尤为重要。对于低水头(设计水头不超过9.2 m)[3]闸墙长廊道侧支孔输水系统，一般可以不用布设消能设施，水流从支孔出流后自由扩散，利用船底富裕水体消能；对于闸室起始水深较小的船闸，可以在侧支孔前部三分之一的支孔增设改善水流的消能设施，如设置三角形消力塘、将支孔向上偏斜、设导流板等[4,5]。当船闸的设计水头超过10 m时，徐进超等[6-8]通过试验研究，提出了在侧支孔出口处布置一道消力槛的方案，该方案相当于在一系列出水支孔前形成了纵向单明沟，从而达到改善水流条件的目的。杨忠超[9,10]等通过数值模拟的方式，研究了明沟的消能效果和消能机理；朱磊[11,12]从孔口尺度及消力槛高度入手，通过数值模拟分析不同挡坎高度下的消能效果并进行对比归纳，得出了优化后的单双明沟的布置方案。上述研究虽然在一定程度解释了闸室内各种消能工的消能机理，但研究角度主要集中在某一时刻闸室内各种水力参数的对比，输水全过程中闸室内水力参数的宏观变化方面的研究有所欠缺。

本文以某船闸工程为背景，借助Flow 3D流体计算软件对船闸充水过程进行数值模拟，在最不利水位组合下7 min双边匀速开启输水廊道工作阀门，对输水全过程中闸室内水流流速、紊动能分布变化进行系统研究，通过对比闸室内无消力槛方案以及设消力槛方案的计算结果来研究消力槛消能机理并评价其消能效果。

1 数学模型

1.1 输水系统布置形式

该数学模型在实际船闸输水系统的基础上进行必要的简化，简化后的输水系统(无消力槛方案)如图1所示，模拟范围包括上、下游部分引航道，上、下闸首，闸室以及输水阀门，三维模型如图2所示。该船闸采用的是常规的闸墙长廊道侧支孔输水系统，闸室尺寸为180 m×23 m×3.5 m，船闸主廊道断面面积为35.28 m2，每侧廊道的断面尺寸为4.2 m×4.2 m(宽×高)。出水支孔共布置有48个，每侧24个，两支孔中心线相距5.75 m，对侧支孔错开半个间距布置。支孔喉部断面尺寸为0.8 m×0.9 m(宽×高)，出水支孔总断面面积为34.56 m2。支孔沿水流方向长度为3.15 m。在设消力槛方案中，消力槛布置在距出水孔口3倍出水孔口高度附近，消力槛高度取为0.5倍的侧支孔高度，即在每排侧支孔前2.7 m处增设尺寸为138.0 m×0.45 m×0.45 m(长×宽×高)的消力槛。无消力槛方案与设消力槛方案对比效果图如图3所示。

图1 输水系统整体布置图

图2 船闸三维模型等轴测图

图3 闸室横剖面结构图(X=146.49 m)(单位：m)

1.2 控制方程、计算网格及边界条件

本文中三维数值模拟采用Flow 3D流体计算软件，因为输水系统充水过程中水流为非恒定流，紊动较为强烈，故采用的黏性和湍流模型为RNGk-ε模型；采用VOF追踪水体自由表面运动；利用有限差分法进行数值离散，采用GMRES迭代法解其代数方程[13]；采用GMO运动模型来模拟船闸充、泄水过程中输水阀门的匀速启闭。

Flow 3D软件能够自动划分模型网格，本计算中选取结构化网格的划分形式，该形式网格质量高，计算速度较快，Flow 3D计算需要定义网格块去包围所要计算的体型，故模型设置3个网格块体，分别包含左、右两侧输水廊道计算域、上下闸首及闸室计算域、右侧输水廊道计算域。其中船闸的输水系统是本文重点研究范围，且输水廊道结构较为复杂，因此计算中采用嵌套网格，对左右两侧输水廊道计算域网格进行加密，模型计算网格单元尺寸见表1。船闸输水系统三维模型总计约有413个万网格，其中参与计算的约为204万个网格。

表1 计算网格单元尺寸表

本计算上游边界设置为压力边界，给定水位条件为50.72 m(上游最高通航水位)，闸室内初始水位设置为37.70 m(下游最低通航水位)；这些边界均通过给定水位和相应静水压力实现。顶部边界设置为压力进口边界，压力设置为0，流体分数设置为0，即为自由水面。上、下闸首和闸室的边壁及底板均设置为固壁边界条件。数值模型和边界条件设置情况示意图见图4。

图4 数值模拟计算模型及边界条件

2 结果与分析

2.1 准确性分析

为了验证船闸数学模型的准确性，将物理模型试验中得到无消力槛方案的充水水力特性曲线与其数学模型计算成果进行对比，以达到对数学模型进行验证的目的。采用最不利水位组合(水位组合：50.72～37.70 m)下，阀门7 min双边匀速开启的充水过程中的水位、流量等水力特征参数进行验证。由于物理模型采用λL=15的比尺且实验数据存在测量误差，数学模型采用与原型相同的几何尺寸且对船闸输水系统部分结构进行了必要的简化，两者数据上存在一定程度的误差。

物理模型试验与数模计算水力曲线对比图如图5所示。

图5 水利特性曲线对比图

根据图5中列出的水位时间曲线、流量时间曲线的对比情况，可以看出物理模型试验测量成果与数值模拟计算得出的水位、流量过程曲线基本一致，物理模型试验实测的输水时间略大于数值计算所得出的输水时间，最大流量出现的时刻基本一致。表2列出了输水时间及最大流量的数模与物模成果对比结果，输水时间误差和最大流量误差分别为4.56%和3.45%，数据吻合度较高，可认为本次数值模拟计算结果较为精确，其计算成果可以对闸室流速、流场、紊动能变化等水力特性分析提供可靠依据。

表2 物理模型试验与数值模拟计算结果对比表

2.2 流场分布

数模计算中，无消力槛方案采用与设消力槛方案相同的计算参数设置，通过对比两种方案闸室内各特征断面的流场、紊动能等指标来研究消力槛的消能效果。

流场是描述流体运动的重要指标，它反映了流体质点运动的快慢，是判定消能效果的重要依据。从图6与图7可见：设消力槛方案与无消力槛方案廊道内流速分布规律类似，充水初期，廊道内流速呈上游大、下游小的分布规律，各侧支孔出流量亦呈上游至下游递减的趋势；随着输水阀门开度增大，上闸首与闸室的水位差逐渐降低，廊道内整体流速先增大后减小，整个主廊道内流速自上游到下游分布趋于均匀，当t=540 s时，主廊道内流速基本小于1.0 m/s。从图8和图9可见：由于输水主廊道内水流在流经侧支孔时过水断面面积收缩，故侧支孔区域流速远大于其他区域流速。无消力槛方案中，支孔内最大流速约为6.89 m/s。设消力槛方案中，最大流速约为6.06 m/s。在整个充水过程中，闸室内流速在水深方向上的分布呈现底部流速大，表面流速小的特点，输水阀门完全开启后，闸室水体靠近表面区域流速趋近于零。

图6 无消力槛方案闸室水平剖面流速分布图

图7 设消力槛方案闸室水平剖面流速分布图

整个输水过程中，由于消力槛对水流流向有改变作用，同一时刻下，设消力槛方案中的各侧支孔射流长度要短于无消力槛方案，在充水中期，无消力槛方案中侧支孔射流末端一度可以达到对侧支孔出口处，会对对侧支孔出流产生一定影响，射流能量较为集中；设消力槛方案中闸室底部两侧消力槛之间区域的流速相对于无消力槛方案中的对应区域要小。两种方案中，侧支孔射流末端都会出现摆动现象，摆动的剧烈程度呈现随时间先增大后减小的趋势。

从图8与图9可见：无消力槛方案中两侧支孔射流直接在闸室底部交汇，相较于无消力槛方案，设消力槛方案水流经支孔进入闸室后，由于受到消力槛的阻挡作用，部分水流改变流向，向上朝闸室纵轴线方向流动；同时部分水流翻越过消力槛，与对侧支孔出流在闸室底部交汇，在消力槛前后，支孔射流的动能因内摩擦作用而消杀，闸室底部流速相对于无消力槛工况较小，增设消力槛后，支孔射流核心区域略微抬高，但范围缩小，整体流态较为良好，改善了充水初期船舶的停泊条件，但闸室底部需预留一定的富余水深，避免在充水初期支孔射流直接冲击船舶底部。

图8 无消力槛方案闸室横剖面流速分布图

图9 设消力槛方案闸室横剖面流速分布图

2.3 紊动能分布

紊动能是衡量流体的紊动状态的重要参考指标，从图10与图11可见：整个充水过程中，闸室内整体紊动能呈现先增大后减小的趋势。设消力槛方案中，输水阀门完全开启后(t=420 s后)，整个闸室内紊动能趋近于零。与无消力槛方案相比，由于水流经侧支孔出流后受到消力槛的阻挡作用，支孔射流流向在此发生较大改变，消力槛之间区域流速较小，侧支孔射流在闸室中部交汇后并未产生剧烈碰撞，同一时刻槛后紊动能与槛前紊动能相比略有降低，闸室内最大紊动能出现在t=300 s时，与无消力槛方案最大紊动能出现时间一致，约为0.37 m2/s2，但远小于无消力槛工况的2.05 m2/s2。无消力槛方案中，t=180～420 s之间，闸室内大部分区域紊动能大于0.62 m2/s2，远大于同一时刻下设消力槛方案中同一区域紊动能，输水阀门开启过程中闸室水流紊动更为明显，在充水初期闸室水位不高时，会一定程度上影响到船只的停泊安全。

图10 无消力槛方案水平剖面紊动能分布图

图11 设消力槛方案水平剖面紊动能分布图

3 结 论

本文通过对某船闸充水过程进行数值模拟计算，获取了有槛方案和无槛方案充水过程中闸室内详细流场信息，得出结论如下。

(1)消力槛的布设可以有效地减小侧支孔射流流速，使出流水流在翻越消力槛时能量通过内摩擦作用得到消杀，有效地减小了射流造成的水体紊动在闸室内的影响范围。相比于无消力槛方案，同一时刻闸室内的紊动能显著降低，消能效果较好。

(2)设置消力槛后，射流核心区略微抬高，故设置消力槛后，闸室需预留一定的富余水深。总体来说，布设消力槛可以起到良好的消能效果，能为闸室内船只创造出良好的停泊条件，可为今后类似工程设计与试验研究提供参考。

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