垂直升船机承船厢厢底复杂梁格构造对离水下吸力的影响研究

郭乙良

摘 要：升船机承船厢具有复杂的梁格构造，出水过程中产生的附加水动力荷载是下水式钢丝绳卷扬垂直提升升船机的重要参数，也是校核升船机提升力的一项重要指标。本文采用数值模拟的方法，建立升船机承船厢的二维纵剖面模型与三维数学模型，对垂直升船机承船厢出水过程的水动力特性进行模拟。研究发现，复杂的底部梁格结构对升船机承船厢离水下吸力具有明显影响，次高横梁腹板能显著降低单位面积的出水下吸力。本文通过在腹板开孔的方式，研究了开孔对厢体离水下吸力的影响。结果表明，在底部梁格腹板处开孔可显著降低承船厢离水下吸力，保证升船机安全、平稳运行。

关键词：升船机承船厢;离水过程;数值模拟;下吸力

中图分类号：U642.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0067-03

Research on the Influence of the Complicated Girder Structure at the Bottom of the Vessel Chamber of the Vertical Shiplift on the Suction Underwater

GUO Yiliang

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an Shaanxi 710000）

Abstract： The ship cabin of the ship lift has a complicated girder structure， the additional hydrodynamic load generated by the water discharge process is an important parameter of the launching steel wire rope hoisting vertical lift ship lift， and this parameter is also an important indicator for checking the lifting force of the ship lift. In this paper， the method of numerical simulation is used to establish a two-dimensional longitudinal section model and a three-dimensional mathematical model of the ship-lift tank， and simulate the hydrodynamic characteristics of the vertical ship-lift tank. The study finds that the complex bottom girder structure has a significant effect on the suction force of the shiplift tank from underwater， and the sub-high beam web can significantly reduce the suction force per unit area. In this paper， by opening holes in the web， the effect of openings on the suction of the car body from the water is studied. The results show that opening holes in the bottom girder web can significantly reduce the suction force of the ship tank from the water and ensure the safe and stable operation of the ship lift.

Keywords： ship lift tank;water-off process;numerical simulation;downward suction

在水利工程中，興修大坝形成的水位落差会影响河道通航能力。升船机是一种利用机械装置垂直升降通航船舶，以克服水位落差的建筑物。升船机主要由承船厢、支承结构、提升装置和事故装置等组成。相比船闸，升船机具有耗水量少、运行速度快、技术条件成熟、投资较小等优点。20世纪90年代以来，我国已建成红水河岩滩、隔河岩、高坝洲、乌江彭水、景洪、长江三峡等众多升船机。此外，向家坝、构皮滩、龙滩等多座垂直升船机也在积极设计施工中[1]。

目前，我国升船机领域有了一定的发展，已设计并建造了一大批具有自主知识产权的各类大、中、小型升船机，并通过原型观测、试验研究和数值模拟等方法不断加深对升船机的研究。尽管已经取得了众多研究成果，但下水式垂直升船机依旧存在众多需要深入研究的内容。例如：升船机承船厢出入水过程中附加水动力荷载的变化规律;升船机水动力学基础研究;升船机的三维数值模拟技术[2]。其中，研究人员关注最广泛、难度最大的是对升船机承船厢出入水过程中附加水动力荷载变化特性的研究。

陈震等利用仿真软件对平底刚性结构的入水问题进行研究，建立二维平底刚性有限元模型，通过计算结构不同入水速度下刚性面的压力分布，探究平底刚性结构入水过程中砰击面上压力分布规律及持续时间的计算公式[3];程璐等采用VOF计算模型和κ-ε湍流模型，结合动网格技术对下水式垂直升船机船厢入水过程的水动力学特性进行模拟研究，通过与物理模型结果的对比，证明了该方法可以较好地模拟船厢入水后船池内部的复杂水流情况[4];窦义哲等则通过数值模拟软件的二维分析计算，得到游艇船艏入水过程中的船首砰击压力分布及变化规律，分析结果可为游艇的设计建造提供一定依据[5]。

本文基于前人研究成果，结合某大型升船机承船厢工程，开展下水式垂直升船机承船厢结构离水过程中下吸力的特性研究。通过数值分析的方式，研究承船厢结构离水下吸力的变化规律、实际工程问题及解决方法，以期为下水式垂直升船机的设计提供技术支撑。

1 建立模型

某大型升船机承船厢工程位于陕西省境内的汉江上游。升船机主要由提升机构、承船厢、行走机构、门架、机房及检修机组成。研究者通过流体数值分析软件FLOW-3D建立承船厢外壳模型，采用GMO模块模拟厢体离水过程，设定不同的承船厢离水速度，研究并计算厢体离水过程的下吸力，绘制下吸力变化曲线，得出运行过程中水体下吸力变化规律，并提出优化厢体外形的方案。

对于流体的运动，FLOW-3D软件是通过结构化的矩形交错网格来离散计算域，通过流体体积法模拟自由表面，运用有限差分法求解各种封闭化后的时均N-S方程来实现的。

计算模型是以该升船机承船厢为原型1∶1建立起来的三维几何实体。为减少冗余网格并加快运算速度，计算模型将承船厢的上部结构进行适当简化，根据承船厢实际尺寸，分别模拟研究了厢体二维纵剖面和三维单梁格模型离水下吸力的变化规律。

2 升船机承船厢数值计算结果分析

2.1 承船厢二维纵剖面下吸力数值计算

二维纵剖面外轮廓按照1∶10进行数值建模，尺寸為6.20 m×0.56 m，采用FLUENT软件进行数值模拟，计算模型及网格如图1所示。本研究较为精细地建立了主次梁模型，并在划分网格时对梁格下较小的次梁进行了小尺度的渐变网格划分。仅在包含二维模型的12.00 m×4.06 m范围内进行计算，水体所占区域为12.00 m×2.06 m，次梁周边局部加密网格为0.003～0.010 m的三角形网格，其余网格为0.02 m×0.02 m的矩形网格。底面和左右面均为壁面边界条件，顶面边界条件为压力边界条件，压力设置为一个标准大气压。

分别采用不同的厢体提升速度V（0.01 m/s、0.02 m/s、0.03 m/s）进行计算，承船厢下表面起始位置位于水面以上0.5 m处，初设时间步长为0.01 s，计算时长为200 s。以厢体受力为纵坐标，以时间为横坐标，绘制不同速度下二维承船厢出水荷载时程曲线，如图2所示。

从图2可以看出，不同厢体提升速度下承船厢所受合力的变化过程大致相同：厢体开始提升时，最大合力升至21 000 N左右，其后伴随微幅波动;厢体上表面开始露出水面后，厢体底部开始受到下吸力作用，且下吸力的大小随出水高度的增大而增大，即厢体所受合力不断减小;厢体下表面完全露出水面时，下吸力达到最大值，即厢体所受合力达到最小值;此后，随着厢体持续上升，下吸力迅速大幅度减小，即合力不断增大。因为研究为二维剖面，无实际质量，所以最终合力回到“0”值附近。图2显示，3种提升速度对应的下吸力增大程度基本相同，只因厢体提升速度不同，载荷变化的时长不同。

2.2 承船厢整体下吸力数值计算

三维计算模型的外轮廓按照1∶1进行建模，采用流体仿真软件进行数值计算。因整体三维计算网格数量巨大，计算耗时过长，只取单品梁格部分划分网格并进行计算。承船厢梁格单品结构如图3所示。

同样，设定承船厢提升速度V分别为0.02 m/s、0.03 m/s、0.04 m/s，对比分析不同提升速度下厢体单位下吸力变化规律。设置厢体模型网格的边界条件如下：底面为壁面边界条件，网格四周为压力边界条件，保持相同初始水深，顶面为压力边界条件，压力设置为一个大气压。为确保模拟结束时厢体已经完全出水，计算时长分别为170 s、230 s和345 s。计算结果同样以厢体受力为纵坐标，以时间为横坐标，绘制不同速度下三维承船厢模型出水过程的结构受力变化曲线，如图4所示。

从图4可以看出，三维承船厢模型提升过程中，厢体所受下吸力与厢体二维剖面受力变化规律相同，厢体所受荷载稳定后不为零，这是因为在三维数值模拟中，厢体受到重力影响，最终所受合力即为厢体重力。

通过对比可以看出，不同速度对升船机承船厢结构离水过程中下吸力大小基本无影响，仅改变了载荷变化的时长。研究发现，厢体在离水过程中所受的最大下吸力很大。在本文研究的工程中，最大离水下吸力基本上与厢体重力维持在同一水平，对提升机构的最大提升力有较高的设计要求。因此在实际工程中，采取有效措施减小承船厢离水下吸力显得十分重要。

3 减小承船厢下吸力的优化方案

为减小承船厢离水过程的下吸力，本次研究拟在底部梁格处合理设置通气孔来释放压力。采用三维数值模拟的方法计算，在距底部梁格主梁底面一定距离处设置直径为0.35 m的通气孔，提升速度设为0.03 m/s，计算时长设为200 s，其余条件与小节2保持一致。

由计算结果可得，承船厢整体受力曲线变化过程与之前一致，但开孔对底部梁格处压力的释放效果显著，开孔后厢体单位面积下吸力降至2 505 Pa，与未开孔相比，下吸力显著下降。可以预估，随着开孔面积的增大，下吸力下降程度相应增大。

4 结语

本文运用三维数值模拟的方法模拟了厢体离水过程中下吸力的变化规律。研究结果表明，厢体离水下吸力会在厢体底部梁格表面浮出水面时出现并逐渐增大，当厢体底部完全离开水面时，下吸力达到最大，随后迅速下降至零，并且不同提升速度对厢体离水下吸力的变化过程基本无影响，仅改变了离水下吸力变化速率。由于承船厢厢体底部梁格的存在会导致船厢出水过程中互相分割的空腔难以及时补气，承船厢离水过程会承受很大的下吸力。数值模拟发现，在底部梁格腹板处合理设置通气孔可以释放压力，降低承船厢离水过程的下吸力，为下水式垂直升船机承船厢设计提供了一定的技术指导。

参考文献：

[1]胡亚安，李中华，李云，等.中国大型升船机研究进展[J].水运工程，2016（12）：10-19.

[2]陈莹颖.钢丝绳卷扬垂直提升式升船机整体物理模型全相似模拟[J].水运工程，2014（6）：30-35.

[3]陈震，肖熙.平底结构砰击压力的分布[J].中国造船，2005（4）：97-103.

[4]程璐，王本龙，胡亚安，等.下水式升船机船厢入水过程三维数值模拟技术[J].水运工程，2016（12）：169-175.

[5]窦义哲，陈章兰.40 m游艇艇艏砰击压力有限元分析[J].集美大学学报（自然科学版），2014（6）：442-445.