闸底长廊道输水系统双明沟细部优化的数值模拟研究

摘要

我国是世界上修建人工运河通航建筑物最早的国家。到目前为止，已建成应用的船闸过船建筑物有800多座。输水系统作为船闸的重要组成部分，其布置及相关水力学条件与船闸的通过能力、营运效益以及船舶的停泊安全密切相关。一方面输水系统设计需要满足输水时间的要求，以确保船闸的通过能力和营运效率;另一方面在船闸输水过程中，随着闸室内水面的上升或下降，停泊在闸室内的船舶受到非恒定水流形成的水面坡降力、水流运动的流速力等多种作用力，当这些作用力过大时将引发不利于船舶停泊安全的问题。因此，在船闸充水过程中，需要在输水系统中设置消能明沟、消能盖板或消力坎等消能设施，以改善闸室内船舶的停泊条件，满足船舶安全过闸的要求。
　　目前，关于明沟布置和消能特性的研究国内外均涉及较多，尤其是单明沟消能型式。双明沟消能国内对其也做了一定研究，但多限于某些特定船闸，在设计要求及结构细部等方面的研究并不充分。本文从消力梁挡坎高度及孔口尺度两个方面入手，开展了对双明沟细部优化的数值模拟研究。为使实验成果具有代表性，本文针对消力梁孔口尺度及挡坎高度进行了无量纲化，得到典型尺度参数A1/a、A2/a、B/b（分别表示挡坎高度与廊道支孔高度的比值、孔口高度与廊道支孔高度的比值和孔口宽度与廊道支孔宽度的比值）。研究基于有限元软件Fluent，通过分析比较闸室各断面流速分布、剩余比能及动能等能反映双明沟消能效果的特征参数，得出了双明沟细部（消力梁挡坎及孔口）的较优布置尺度。
　　主要结论如下:
　　(1)通过已有物理实验成果对三维数值仿真模型计算结果进行验证，表明以数值模拟的方式开展对双明沟细部优化的研究是可行的。
　　(2)消力梁孔口尺度按原设计方案（孔高A2/a=1.389，孔宽B/b=4.706）布置的情况下，双明沟挡坎高A1/a=0.667～0.944时，消能效果较优。
　　(3)消力梁挡坎高度及孔口宽度按原设计方案(挡坎高A1/a=1.111，孔宽B/b=4.706)布置的情况下，双明沟孔高A2/a＞1.000消能效果较好。
　　(4)消力梁挡坎高度及孔口高度按原设计方案（挡坎高A1/a=1.111，孔高A2/a=1.389）布置的情况下，双明沟孔宽B/b＜2.353消能效果明显。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状和发展动态

1．3 本文研究主要内容及研究方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究方法

1．3．3 主要技术路线图

第二章 数值模拟基本理论与方法

2．1 流体运动的基础理论

2．1．1 粘性流体中的应力

2．1．2 N-S方程

2．2 湍流的基本控制方程

2．2．1 紊流模型

2．2．2 计算方法

2．3 计算软件简介

2．3．1 FLUNENT简介

2．3．2 网格划分

2．3．3 边界条件

2．4 本章小结

第三章 模型建立与验证

3．1 几何模型

3．2 数学模型

3．3 模型验证

3．4 本章小结

第四章 双明沟细部优化的数值模拟研究

4．1 实验方案及计算工况

4．2 消力梁挡坎高度优化的数值模拟研究

4．2．1 双明沟消能效果的衡量标准

4．2．2 实验成果与分析

4．3 消力梁孔口宽度优化的数值模拟研究

4．3．1 实验成果与分析

4．4 消力梁孔口高度优化的数值模拟研究

4．4．1 实验成果与分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

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