船闸下闸首水流结构的试验研究与三维数值模拟

摘要

伴随着地方经济的快速发展，盐邵船闸过闸货运量的逐年加大，使船闸本身的引航道尺度不能很好满足过闸船舶停泊、待闸的运行要求。虽然船闸已经处于24小时满负荷运行状态但仍有大量船舶滞留于引航道口门水域，航道的通畅及进出船闸船舶的航行安全受到了严重的影响。船闸下闸首是船闸出口与河道自由航行河段起枢纽作用的区域，它的水流条件的好坏将直接影响到过闸船舶的安全。
　　本文根据重力相似的原理制作了试验模型，通过多种测量手段测定引航道不同断面上流速，分别得到了各种工况的流速分布情况。采用化学试剂和塑料悬浮粒子分别得到各工况的水流的底层和面层流场分布状况。试验表明在添加弧形导航墙的工程措施情况下可以消除下闸首出口处的淤积区，但是由于过流断面的减小，致使水流的动能增大。在前面试验的基础上增加1.0 m深消力池工程措施，可使纵向和回流速度减小，说明消力池对消除引航道口门区的水流能量是有效的。
　　通过数值模拟计算对下闸首出口的水流结构进行三维数值模拟，模拟了原状工况、导航墙工况、不同深度消力池工况，分别得到了下闸首的流速分布云图、流速矢量图、水流流线图，并对不同纵剖面的流速以及能量分布进行对比。模拟结果显示由于增加了消力池，船闸下闸首下游水深变大，水流沿水深方向的扩散调整更充分，使闸室下游引航道左侧平面上的回流变小，流速也相对减小。同时随着消力池深度的增加以及消力池长度的增大，下游引航道左侧平面上的回流区域越来越小，流速也逐渐的降低。
　　本文研究的结果将用于改善过闸船舶的待闸条件，以及缓解由于引航道标准偏低而引发船舶待闸、过闸的安全隐患，减小船闸安全运行管理的困难，同时也为我省类似船闸的改造和管理供依据。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 关于船闸水流条件的研究现状

1．2．2 关于下闸首能量损失的研究现状

1．3 本文研究方法和研究内容

1．3．1 研究方法

1．3．2 研究内容

第2章 模型试验理论与试验方法

2．1 模型试验的基本理论

2．2 研究对象基本情况

2．2．1 基本对象

2．2．2 基本资料

2．3 试验设备和模型设计

2．3．1 试验设备

2．3．2 量测方法及仪器

2．3．3 比尺的选取

2．3．4 模型制作与模型材料

2．4 试验方法与试验参数确定

2．4．1 试验方法

2．4．2 下闸首闸门开启闸室水位与泄流量关系曲线的理论计算

2．4．3 下闸首闸门开启闸室水位与泄流量关系曲线的模型量测

2．4．4 试验参数的选择

2．5 本章小结

第3章 模型试验及试验结果分析

3．1 模型试验工况

3．2 模型试验结果分析

3．2．1 流速测量结果分布

3．2．2 底层、面层流态测量结果

3．2．3 成果分析

3．3 本章小结

第4章 数值计算方法及计算区域

4．1 紊流现象概述

4．2 紊流数值模拟方法

4．3 数值计算方法

第5章 水流结构的三维数值模拟

5．1 控制方程

5．1．1 基本方程

5．1．2 标准k-ε紊流模型

5．2 控制方程组

5．3 船闸下闸首数值模型

5．3．1 模型介绍

5．3．2 几何建模

5．3．3 模型自由液面的处理

5．3．4 模型边界条件

5．4 流场数值计算

5．5 数值模拟结果与试验比较分析

5．5．1 数值模拟和实测结果的流态对比分析

5．5．2 数值模拟和实测结果的流速分布分析

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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