船闸闸底长廊道输水系统水力特性模拟研究

张庆亮，吴星

（1.中设科欣设计集团有限公司，浙江 杭州 310000；2.绍兴市公路与运输管理中心，浙江 绍兴 312000)

1 引言

船闸是帮助船舶克服水利枢纽集中水位落差的通航建筑物，闸室水流条件直接影响船舶停泊安全。随着高坝工程的修建和通航需求的提高，船闸水头越来越高，平面尺度增大，输水流量随之增大，使得闸室水流紊动加剧，不利于船闸通航安全。闸室水力特性与输水时间、输水系统及闸室消能型式等紧密相关。闸底长廊道侧支孔输水系统是广泛应用于中水头船闸的分散输水系统，我国的桂平二线、那吉等船闸均采用该输水系统型式。此类输水系统在闸室的底部布置输水廊道，输水廊道两侧连接短支孔与闸室相连。

数值模拟是研究船闸水流条件的有效手段，它具有修改方便、数据信息丰富、高效、节约成本等优点，是原型观测及物理模型实验的有效补充。王智娟等对船闸阀门段水流条件模拟，并对体型进行优化。黎贤访等对闸墙长廊道输水系统船闸灌水过程支孔出流特性进行了分析。陈明等对集中输水系统船闸闸室流态进行分析，并基于CFD 软件二次开发计算出船舶系缆力。上述研究加深了对船闸输水过程水力特性的认识，可为船闸输水系统设计提供科学依据。

本研究建立闸底长廊道侧支孔输水系统三维数学模型，对船闸灌水非恒定变化过程进行模拟，重点分析输水廊道、侧支孔及闸室内水流流速、流态的时空演化特性。

2 数学模型

数学模型以某闸底长廊道侧支孔输水系统为原型，支孔出流后采用双明沟消能。闸室的有效尺度为220m×34m×4.5m（长×宽×门槛水深）；闸底主廊道断面宽5.5m、高5.5m，内设分流墩；主廊道两侧各设24 个出水支孔，两侧支孔对称布置；支孔外设双明沟进行消能；设计上下游通航水位差最大值为14.4m。数学模型以上闸首下边缘为起点指向下游为x 轴正方向，以闸室中轴线为起点指向左岸为y 轴正方向，以高程方向向上为z 轴正方向。

2.1 控制方程

本研究采用CFD 软件模拟船闸的非恒定灌水过程，数值模拟采用RNG k～ε 紊流模型，采用有限容积法对偏微分方程进行离散，压力与速度的耦合求解采用PISO 算法，运用VOF 技术对闸室自由水面进行追踪。假设流体为不可压缩的粘性流体，连续方程和动量方程如下：

方程中其他的表达式及常数如下：

2.2 网格剖分及边界条件

数值计算区域包括闸室、输水廊道、侧支孔、双明沟在内长约244m 的区域。计算区域采用六面体结构网格和楔形网格进行剖分，同时对侧支孔、明沟及其附近区域进行局部加密，剖分的网格单元总数约为130 万个，节点总数约为136 万个。计算区域及网格划分如图1所示。

图1 计算网格及边界条件

为了简化计算，该模型未设置廊道输水阀门，将上游两侧廊道作为流量进口，其流量变化是根据船闸整体输水系统模型实验确定的，闸室流量过程线如图2所示。本研究认为两侧廊道的进水流量相等，则各侧廊道进口流量为闸室流量的一半。计算域顶部高于闸室最高水位，与大气相通，设置为空气压力出口。闸室水位随输水过程变化，存在自由表面，运用VOF 技术进行捕捉。

图2 闸室流量过程线

2.3 数学模型验证

本文建立了几何比尺为1:30 的船闸整体水工物理模型，基于实测灌水过程下闸室中部水位过程线，对数学模型进行验证。图3为数值计算的闸室中心点水位与物模实测值的对比。从图中可以看出，数值计算的闸室水位与物模实测曲线趋势一致，均随灌水过程的进行而升高，变化速率先增大后减小。各时刻下，模拟值较实测值偏小，这可能是由于数值模拟依赖于网格的解析度所致，但二者之间的差异不超过2%，表明该数学模型能较好地模拟船闸输水水力动态变化过程。

图3 闸室水位计算值与实测值对比

3 计算结果与分析

限于篇幅，本文仅分析最不利水位组合（水头差14.44m）、双边阀门5 分钟匀速开启、灌水过程下闸室内的水力动态变化过程，并重点围绕三个典型时刻进行分析：上游阀门开度n=0.2（t=60s，Q=78.1m·s）、最大比能时刻（t=140s，Q =256.2m·s）、最大流量时刻（t =270s，Q =396.4m·s）。

3.1 支孔出流及纵向流速变化

图4为不同时刻下，侧支孔水平中剖面的流速分布图。数值计算结果表明，水流自闸首两侧的廊道进入后，经汇流口汇流进入闸室底部的输水主廊道，之后经侧支孔进入消能明沟，明沟内的水流向闸室内扩散。从图4a 中可以看出，在灌水初期，闸底廊道的水流由静止状态转换为运动状态，水流自上游向下游流动，从而使得侧支孔自上游向下游依次出流。从初始时刻（t=0s）至流量最大时刻（t=270s），由于流量的增大，整体流速呈增大的趋势，在最大流量时刻，支孔流速最大约为7m·s。在不同时刻下，闸底廊道内的流速均呈自上游向下游递减的趋势。

图4 闸室特征断面流速分布云图：(a)t=60s,(b) t=140s,(c) t=270s

图5为侧支孔中剖面局部出流流速分布图。从图中可知，水流经支孔出流后，在第一道明沟内形成射流，在高速射流的卷吸作用下两支孔间形成两方向相反的消能漩涡；通过透水孔进入第二道明沟内的水流在边壁的作用下同样形成漩涡，水流较为紊乱；由于支孔过水面积较小，因此在支孔处的流速最大。

图5 支孔出流局部流速分布（t=270s）

3.2 闸室横向流速分布

图6为闸室特征横断面上的流速及流线分布，其中x=69.9m 位于闸底廊道的分流墩处，x=155.9m 位于分流墩外。从图中可知，在x=69.9m 处，闸底廊道被分为左右两部分，漩涡存在于分流墩附近；在x=155.9m 处，由于水流从廊道左右两侧分流，在廊道中部形成漩涡。水流出支孔后射入第一道明沟，第一道明沟内的水流部分向水面运动，部分经消力梁上的透水孔进入第二道明沟并受闸墙的阻挡向水面运动，同时闸室两侧的水流向闸室中部流动。在第二道明沟内，在透水孔出流的卷吸作用下，使得透水孔上下两侧出现两个方向相反的漩涡。闸室内在不同位置存在不同大小、范围的漩涡。

图6 闸室特征横断面流速及流线分布图（t=270s）

4 结论

本文针对闸底长廊道侧支孔输水系统，通过建立船闸整体输水系统三维数学模型，对船闸灌水的动态变化过程进行模拟，分析闸室三维水力特性，主要结论如下：

（1）在船闸灌水初期，侧支孔自上游向下游依次出流；由于支孔过水面积较小，因此在支孔处的流速最大；闸底廊道内的流速均呈自上游向下游递减的趋势。

（2）在第一道明沟内，由于高速射流的卷吸作用，两支孔间形成两方向相反的漩涡；在第二道明沟内，则在透水孔上下两侧形成两方向相反的漩涡。

（3）在闸室内，两侧明沟内的水流向上、向闸室中部流动，存在不同大小、范围的漩涡，使得闸室停泊条件更加复杂。