超大输水功率条件下闸室盖板消能特性数值模拟研究

摘要

近年来在我国通航河流中在建或拟建水头超过30m的船闸数量快速增长，航运发展的需要刺激了船闸发展向着超高水头、大尺度前进，因而给船闸建设的关键性技术——输水系统设计带来了更加严峻的挑战。当船闸水头和尺度均达到较大量级，要求一定时间内充入闸室的水体能量巨大，相应的输水功率也需成倍增长。为探求超大输水功率条件下闸室盖板消能工的消能特性和机理，以及其影响闸室流场、水面波动的关键控制因子，本文运用Fluent数值计算软件，采用一种分级消能结构的水平分流闸底支廊道二区段出水输水系统型式，对几种不同结构的盖板消能工进行了数值模拟，得到的主要研究结果如下:
　　1.本文数值模拟所采用的紊流模型为雷诺应力模型，经与理论解对比验证后可知模拟结果与其吻合度较高，可靠性较强。
　　2.模拟计算采用的凹凸型布置盖板结构、双顶支孔结构的消能过程主要分为两个阶段:一是侧支孔处射流碰撞消能室壁消能;二是顶支孔处射流受盖板挡水消能。而带消能槛的凹型布置盖板结构消能过程可以分为三个阶段，前两阶段与上述相同，增加的第三阶段为盖板出流后在半开敞式消能室内掺混、碰撞消能。由紊动能分布可知，本文列举的各个工况的大部分能量耗散均来源于第一个阶段，均达到80％以上。
　　3.消能室内紊动能分布规律为:最大紊动能位置基本靠近侧支孔冲刷的壁面，并向四周逐渐发散，横向发散区域最长约6m。盖板空腔内横向紊动能分布主要集中在中部，并向两侧逐渐衰弱。在消能室、闸墙边壁以及盖板表面，水流与其碰撞、摩擦也耗散了一部分能量。
　　4.对比了凹凸型布置盖板型式的消能室高度变化情况，发现其高度的改变对消能效果的影响并不大。主要原因为:在同样流量的情况下，主廊道、侧支孔与消能室形成了一个封闭的空间，流量决定了顶支孔处流速，同类型工况下进入闸室区域的水流流速、流态基本相同。
　　5.对于双顶支孔结构，当双顶支孔间距达到一定量级后，两股水流会发生掺混作用，在盖板空腔内、两顶支孔之间的空间形成两股掺混的小漩涡。在盖板空腔净高约为支孔宽度的7倍，支孔净间距达到支孔宽度的4倍时，能形成较稳定的漩涡。
　　6.本文判别消能效果的指标为闸室设计最低水位时船底水平面的剩余比能，以此评判对船舶停泊的影响。在本文提出的几种结构型式情况下，属带消能槛的凹型布置盖板型式剩余比能较低，效果较好。此结构型式的各种工况下剩余比能较无盖板型式均下降了30％左右，对比凸型布置盖板结构型式亦降低了20％左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 船闸输水系统

1．2．2 消能工结构

1．2．3 紊流模型

1．3 研究方法和内容

1．3．1 研究方法

1．3．2 研究内容

第二章 输水系统设计与水力计算

2．1 输水系统设计

2．2 水力计算

2．2．1 阀门段廊道断面面积

2．2．2 充水过程阻力系数

2．2．3 闸室充水过程水力特性曲线

2．3 本章小结

第三章 数学模型的建立与验证

3．1 三维紊流数学模型

3．1．1 紊流基本控制方程组

3．1．2 计算方法

3．1．3 自由水面的VOF法模拟

3．2 模型建立

3．2．1 模型概化

3．2．2 模拟工况

3．2．3 计算区域及三维模型

3．2．4 网格剖分

3．2．5 边界条件设置

3．3 模型验证

3．4 本章小结

第四章 消能特性及消能机理

4．1 不等高消能室结构

4．1．1 横向剖面流场分布、流迹线

4．1．2 纵向剖面流迹线

4．1．3 水平剖面流场分布

4．1．4 紊动能分布

4．2 双顶支孔结构

4．2．1 横向剖面流场分布、流迹线

4．2．2 纵向剖面流迹线

4．2．3 水平剖面流场分布

4．2．4 紊动能分布

4．3 凹形布置盖板不等高消能室结构

4．3．1 横向剖面流场分布、流迹线

4．3．2 纵向剖面流迹线

4．3．3 水平剖面流场分布

4．3．4 紊动能分布

4．4 带消能槛凹形盖板结构

4．4．1 横向剖面流场分布、流迹线

4．4．2 纵向剖面流迹线

4．4．3 水平剖面流场分布

4．4．4 紊动能分布

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果