超大输水功率条件下闸室明沟消能特性数值模拟研究

摘要

船闸作为最主要的通航建筑物型式，在我国的水运交通运输和经济发展中占有重要地位，为适应国家战略和经济的发展，超高水头大型船闸的建设是必然趋势。而随着船闸设计水头和平面尺度增加，输水功率大幅增加，单位时间内进入闸室的能量成指数递增。如何在闸室有限水深范围内、规定的输水时间内快速消杀能量，以保障船闸输水阀门设备及闸室内船舶的停泊安全，成为超高水头巨型船闸输水设计的重要技术瓶颈之一。而目前针对该问题的研究较少，鉴于此，开展超大输水功率条件下船闸闸室消能特性的研究十分必要。
　　本文以输水功率达361752kW的船闸(闸室尺度360×23m，水头60m，输水时间14min)为研究对象，针对该类船闸输水过程中的消能问题，提出在垂向布置两层侧支孔出流的结构形式，并采用三维数值模拟的手段对闸室明沟消能的水力特性和消能效果展开了研究。本文采用Fluent紊流计算软件以及RSM紊流模型进行模拟计算。通过分析不同出水孔层数、不同垂向孔间距以及不同开孔角度下明沟的消能特性，揭示其消能机理，重点探究了垂向孔间距与开孔角度对双层侧支孔明沟消能特性的影响，得到如下成果:
　　1.数模计算结果与理论解吻合良好，从而证实了数学模型的可靠性和计算结果的正确性。数模计算结果信息量庞大，全面反映了超大输水功率条件下闸室水力特性和消能过程。
　　2.采用单层侧支孔出流时，断面的突扩、明沟内水流掺混、水流与壁面的摩擦使水流能量耗散，此方案消能效果较差，控制断面剩余比能达120。
　　3.在竖直方向增设一层平行的侧支孔后消能效果更差，剩余比能在137～400。垂向支孔间距d对消能有影响，d＜4m时，上下两股水流在明沟内无剧烈掺混，未产生漩涡，耗能不充分;4m＜d＜4.5m时，消能效果稍有好转，剩余比能小于140;d＞4.5m时，由于上层支孔距离闸底较近，部分水流迅速上冲至闸室，导致进入闸室的水流依旧携带较大能量。
　　4.采用上层孔向下倾斜的两层侧支孔出流时，消能效果大幅提高，大部分工况剩余比能小于60，上下两股高速射流发生剧烈碰撞和掺混，形成强烈漩涡消能。且开孔角度对消能影响显著，消能效果最佳时其开孔角度θ随支孔间距d的增大而增大，d=2～3m时，θ宜取15°，d=4m、5m、6m时，对应的最佳开孔角度分别为30°、35°、50°。
　　5.超大输水功率条件下明沟消能机理主要有:①侧支孔的突扩以及高速射流冲击明沟边壁消能;②上下两股水流形成强烈紊动、掺混消能;③水流沿明沟边壁上冲时与壁面剧烈摩擦消能;④剪切、掺混、摩擦、漩涡等水流运动将时均动能转化为脉动动能，进而使能量转变成热能耗散。

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 国内外高水头大型船闸研究现状及发展动态

1．2．2 国内外明沟消能工研究现状及发展动态

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究方法

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究目标

1．3．4 技术路线

第二章 输水系统布置与水力计算

2．1 船闸规模

2．2 输水系统设计

2．3 船闸水力计算

2．3．1 阀门段廊道断面面积

2．3．2 充水过程阻力系数

2．3．3 闸室充水的水力特性曲线

2．4 本章小结

第三章 数学模型的建立与验证

3．1 三维紊流数学模型及数值方法

3．1．1 紊流基本控制方程组

3．1．2 计算方法

3．1．3 闸室自由水面的VOF法模拟

3．2 模型建立

3．2．1 模型概化与模拟工况

3．2．2 计算区域及三维模型

3．2．3 网格剖分

3．2．4 边界条件设置

3．3 模型验证

3．4 本章小结

第四章 双层孔间距对消能特性的影响

4．1 消能特性

4．1．1 流场、流线分布

4．1．2 速度等值线分布

4．1．3 紊动能分布

4．2 消能机理

4．2．1 单层明沟消能机理

4．3 消能效果

4．4 本章小结

第五章 开孔角度对消能特性的影响

5．1 消能特性

5．1．1 流场、流线分布

5．1．2 流速等值线分布

5．1．3 紊动能分布

5．2 消能机理

5．3 消能效果

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果