勾头对丁坝附近水流及船舶影响分析

摘要

在航道整治和防洪治河工程中，勾头丁坝作为整治建筑物被广泛采用。以往关于勾头丁坝的研究多注重于坝后回流区及坝头冲刷等方面，而关于其对通航条件的影响少有研究。针对不同勾头长度的丁坝，分析研究丁坝周围水流特性变化及其附近船舶受力的特性，可为航道整治设计及船舶航行操作等提供科学依据，对强化水运交通安全管理，提高水运效益等具有重要意义。
　　运用RNGk-ε紊流模型、小比尺船舶模型试验，对丁坝周围水流特性及船舶行经丁坝时的受力特性进行分析和试验，研究勾头对丁坝附近通航条件的影响。得到以下主要结论：
　　(1)丁坝在增加勾头后，大流速向坝头区集中，远离坝头区域流速减小，为船舶安全航行提供了更有利的条件。
　　(2)勾头具有导顺水流，加快横流衰减速率，减小横流的效果。若以横向流速超过0.3m/s区域为不安全区域。当勾头长度分别为1/3坝长、2/3坝长和1倍坝长时，坝轴横断方向横流速度衰减至0.3m/s的位置距坝头距离分别缩短了8.5％、11.9％和17.8％，坝轴后方横向流速超过0.3m/s的区域面积分别减小了14.8％、27.8％和39.7％。
　　(3)丁坝增加勾头后，上下游最大水位差随勾头长度的增加而减小。当勾头长度L达到坝长D时，上下游最大水位差可减小12.2％，可为船舶航行提供有利条件。
　　(4)船舶在经过丁坝时横向受力会出现两次正向（推力）峰值和一次负向（吸力）峰值，且第一次正向（推力）峰值远大于第二次。第一次正向（推力）峰值出现的位置在船头移动至丁坝上游0.06～0.17倍船长范围，横向距坝头越近峰值越大。第一次负向（吸力）峰值出现的位置为船体中心位于丁坝下游0.11～0.44倍船长处，船体距坝头越远极值出现得越晚，其受力变化也越平缓。第一次正向（推力）峰值与第一次负向（吸力）峰值的大小与流速的幂呈正比。船体横向距丁坝越近，其横向受力变化得越迅速，对船舶安全航行越不利。
　　(5)丁坝在增加勾头后，船舶在经过有勾头丁坝时的横向受力变化规律与无勾头丁坝时相似，但峰值大小不同。勾头可以起到减小正向（推力）峰值的作用，但船舶也会因处在横向距坝头较近的位置而受到勾头岸壁效应影响导致负向（吸力）峰值增大。勾头长度一定时，其对船舶产生的岸壁效应是有一定范围的，当超过这一范围，船舶将不会受到勾头产生岸壁效应的作用。当勾头长度为1/3坝长时，其对船舶产生岸壁效应的影响范围在横断方向将不会超过1/3坝长。
　　(6)船舶在水流中的纵向受力体现了船舶在经过丁坝时的阻力变化情况。当船舶中心位于丁坝下游0.06～0.28倍船长范围，纵向力极值出现。在流速及船舶横向距坝头距离不变的情况下，随着勾头的增长船舶纵向受力呈减小的趋势，当勾头长度L达到坝长D时其纵向受力减小了14.8％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 丁坝周围水流特性

1．2．2 水流边界对建筑物附近船舶的作用

1．3 研究的主要工作及技术路线

1．3．1 论文的主要研究内容

1．3．2 论文采用的技术路线

第二章 丁坝周围水流数学模型及船模试验概况

2．1 丁坝周围水流数学模型的建立及验证

2．1．1 水流运动的基本方程

2．1．2 湍流模型

2．1．3 湍流模型的建立

2．1．4 数学模型的验证

2．1．5 数学模型工况

2．2 船模试验概况

2．2．1 物理模型设计

2．2．2 物理模型试验方法

2．2．3 丁坝及勾头丁坝模型

2．2．4 试验方案

第三章 勾头长度对丁坝周围水流特性影响分析

3．1 坝头水流结构分析

3．2 流速场分析

3．3 丁坝附近水位变化分析

3．4 本章小结

第四章 勾头对船舶平面二维受力特性影响分析

4．1 船舶在丁坝附近航行平面二维受力特性分析

4．1．1 船舶横向受力特性分析

4．1．2 船舶纵向受力特性分析

4．2 勾头对船舶平面二维受力特性影响分析

4．2．1 勾头对船舶横向受力影响分析

4．2．2 勾头对船舶纵向受力影响分析

4．3 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间发表论文目录)

附录B(攻读学位期间从事科研项目目录)