中低水头船闸侧墙长廊道输水系统布置型式及消能效果研究

摘要

侧墙长廊道输水系统是一种适合于中低水头船闸的简单式分散输水系统,该型式将输水廊道布置在闸室墙内,采用单排或多排侧向支孔,将水流输送到闸室。由于该输水系统型式设计简单,基础开挖深度不大,造价较低,而且与集中输水相比,闸室停泊条件较好,可以不设镇静段,在美国田纳西等流域开发中得到广泛应用。在我国,由于以前建设的船闸起始水深较小,船舶尺度、吨位也较小,侧向支孔出流带来的紊动对停泊条件影响较大,因此应用较少。随着近年来我国水运事业的飞速发展,船闸的建设规模和船舶尺度均发生了很大变化,给侧墙长廊道输水系统型式的应用创造了条件,目前已被国内多座船闸采用。
　　 但是,由于该输水系统型式没有考虑水流惯性影响,在灌泄水初期,闸室内将产生一定的纵向水面坡降,同时因闸墙上侧向支孔的出流强度较大,水流能量较为集中,导致船舶受到较大的横向力,不利于船舶安全停泊。尤其在闸室两侧阀门不同步开启或单边阀门开启时,横向水流出流的不均匀对闸室停泊影响更大。因此多年来,国内外众多设计中,对出水支孔的出流型式、出口消能工的布置以及消能效果等关键技术进行了众多优化设计,但是受研究手段的影响,对此技术进行的专向的模型试验以及数值模拟研究较少,特别是在我国针对门槛水深相对较小的船闸的研究更为罕见。
　　 本文拟通过对侧墙长廊道输水系统的模拟研究,重点探索不同出水孔孔径、消能槛的间距、槛高等情况下,出流的消能、扩散效果,进而分析消能机理,寻找其规律。同时,为该输水系统型式的推广应用打下基础。
　　 本文通过采用物理模型和三维数学模型相结合的方法,用Fluent软件对不同布置情况时闸室内的水力特性进行模拟计算,用已经完成的物理模型试验数据验证数模计算结果的正确性,验证结果表明,两者计算结果较吻合,可对该模型进行进一步计算。通过数模的计算得出结论:出水孔孔口截面积的大小、消能槛的布置位置均对闸室内的水流流场影响显著,从物理模型试验和数学模型计算结果都表明:消能槛的高度宜选择约0.5倍出水孔高度,消能槛的位置宜选择在离出水孔口约3倍出水孔高度的距离,出水孔的截面积宜选择约0.95倍主廊道面积,此时消能效果最好,闸室内的水流条件最佳。
　　 本文的研究成果可以为中低水头船闸侧墙长廊道输水系统设计过程中的消能槛和出水孔的布置提供参考和依据。