沈立群，劉浩源，聶藝博，周 招

(1.湖省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢 430070；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 4730072)

閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)是一種簡單類分散輸水形式，它是在兩側(cè)閘墻中段的底部交錯布設一系列的出水支孔，在閘墻內(nèi)布置輸水主廊道并與之相連，共同構(gòu)成水流進出閘室的通道。相較于其他分散輸水系統(tǒng)，該布置形式具有造價低、結(jié)構(gòu)簡單、施工難度小等優(yōu)點[1]。但由于輸水過程中側(cè)支孔涌入的水流在閘室內(nèi)不易均勻分布，水流能量較為集中，能引起船閘閘室內(nèi)水體劇烈紊動，影響船只的停泊條件。目前，如何保證船閘輸水系統(tǒng)安全、高效地輸水是船閘水力學研究中主要的課題之一。

船閘輸水過程中應使水體變化較為平穩(wěn)，水位變化不宜過快，且水流應充分擴散消能，避免產(chǎn)生漩渦、水面坡降較大等不利流態(tài)，保證船舶在閘室內(nèi)的停泊安全[2]。因此研究船閘充、泄水過程中的各項水力學指標，進而驗證船閘輸水系統(tǒng)布置的合理性就顯得尤為重要。對于低水頭(設計水頭不超過9.2 m)[3]閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，一般可以不用布設消能設施，水流從支孔出流后自由擴散，利用船底富裕水體消能；對于閘室起始水深較小的船閘，可以在側(cè)支孔前部三分之一的支孔增設改善水流的消能設施，如設置三角形消力塘、將支孔向上偏斜、設導流板等[4,5]。當船閘的設計水頭超過10 m時，徐進超等[6-8]通過試驗研究，提出了在側(cè)支孔出口處布置一道消力檻的方案，該方案相當于在一系列出水支孔前形成了縱向單明溝，從而達到改善水流條件的目的。楊忠超[9,10]等通過數(shù)值模擬的方式，研究了明溝的消能效果和消能機理；朱磊[11,12]從孔口尺度及消力檻高度入手，通過數(shù)值模擬分析不同擋坎高度下的消能效果并進行對比歸納，得出了優(yōu)化后的單雙明溝的布置方案。上述研究雖然在一定程度解釋了閘室內(nèi)各種消能工的消能機理，但研究角度主要集中在某一時刻閘室內(nèi)各種水力參數(shù)的對比，輸水全過程中閘室內(nèi)水力參數(shù)的宏觀變化方面的研究有所欠缺。

本文以某船閘工程為背景，借助Flow 3D流體計算軟件對船閘充水過程進行數(shù)值模擬，在最不利水位組合下7 min雙邊勻速開啟輸水廊道工作閥門，對輸水全過程中閘室內(nèi)水流流速、紊動能分布變化進行系統(tǒng)研究，通過對比閘室內(nèi)無消力檻方案以及設消力檻方案的計算結(jié)果來研究消力檻消能機理并評價其消能效果。

1 數(shù)學模型

1.1 輸水系統(tǒng)布置形式

該數(shù)學模型在實際船閘輸水系統(tǒng)的基礎上進行必要的簡化，簡化后的輸水系統(tǒng)(無消力檻方案)如圖1所示，模擬范圍包括上、下游部分引航道，上、下閘首，閘室以及輸水閥門，三維模型如圖2所示。該船閘采用的是常規(guī)的閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，閘室尺寸為180 m×23 m×3.5 m，船閘主廊道斷面面積為35.28 m2，每側(cè)廊道的斷面尺寸為4.2 m×4.2 m(寬×高)。出水支孔共布置有48個，每側(cè)24個，兩支孔中心線相距5.75 m，對側(cè)支孔錯開半個間距布置。支孔喉部斷面尺寸為0.8 m×0.9 m(寬×高)，出水支孔總斷面面積為34.56 m2。支孔沿水流方向長度為3.15 m。在設消力檻方案中，消力檻布置在距出水孔口3倍出水孔口高度附近，消力檻高度取為0.5倍的側(cè)支孔高度，即在每排側(cè)支孔前2.7 m處增設尺寸為138.0 m×0.45 m×0.45 m(長×寬×高)的消力檻。無消力檻方案與設消力檻方案對比效果圖如圖3所示。

圖1 輸水系統(tǒng)整體布置圖

圖2 船閘三維模型等軸測圖

圖3 閘室橫剖面結(jié)構(gòu)圖(X=146.49 m)(單位：m)

1.2 控制方程、計算網(wǎng)格及邊界條件

本文中三維數(shù)值模擬采用Flow 3D流體計算軟件，因為輸水系統(tǒng)充水過程中水流為非恒定流，紊動較為強烈，故采用的黏性和湍流模型為RNGk-ε模型；采用VOF追蹤水體自由表面運動；利用有限差分法進行數(shù)值離散，采用GMRES迭代法解其代數(shù)方程[13]；采用GMO運動模型來模擬船閘充、泄水過程中輸水閥門的勻速啟閉。

Flow 3D軟件能夠自動劃分模型網(wǎng)格，本計算中選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分形式，該形式網(wǎng)格質(zhì)量高，計算速度較快，F(xiàn)low 3D計算需要定義網(wǎng)格塊去包圍所要計算的體型，故模型設置3個網(wǎng)格塊體，分別包含左、右兩側(cè)輸水廊道計算域、上下閘首及閘室計算域、右側(cè)輸水廊道計算域。其中船閘的輸水系統(tǒng)是本文重點研究范圍，且輸水廊道結(jié)構(gòu)較為復雜，因此計算中采用嵌套網(wǎng)格，對左右兩側(cè)輸水廊道計算域網(wǎng)格進行加密，模型計算網(wǎng)格單元尺寸見表1。船閘輸水系統(tǒng)三維模型總計約有413個萬網(wǎng)格，其中參與計算的約為204萬個網(wǎng)格。

表1 計算網(wǎng)格單元尺寸表

本計算上游邊界設置為壓力邊界，給定水位條件為50.72 m(上游最高通航水位)，閘室內(nèi)初始水位設置為37.70 m(下游最低通航水位)；這些邊界均通過給定水位和相應靜水壓力實現(xiàn)。頂部邊界設置為壓力進口邊界，壓力設置為0，流體分數(shù)設置為0，即為自由水面。上、下閘首和閘室的邊壁及底板均設置為固壁邊界條件。數(shù)值模型和邊界條件設置情況示意圖見圖4。

圖4 數(shù)值模擬計算模型及邊界條件

2 結(jié)果與分析

2.1 準確性分析

為了驗證船閘數(shù)學模型的準確性，將物理模型試驗中得到無消力檻方案的充水水力特性曲線與其數(shù)學模型計算成果進行對比，以達到對數(shù)學模型進行驗證的目的。采用最不利水位組合(水位組合：50.72～37.70 m)下，閥門7 min雙邊勻速開啟的充水過程中的水位、流量等水力特征參數(shù)進行驗證。由于物理模型采用λL=15的比尺且實驗數(shù)據(jù)存在測量誤差，數(shù)學模型采用與原型相同的幾何尺寸且對船閘輸水系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)進行了必要的簡化，兩者數(shù)據(jù)上存在一定程度的誤差。

物理模型試驗與數(shù)模計算水力曲線對比圖如圖5所示。

圖5 水利特性曲線對比圖

根據(jù)圖5中列出的水位時間曲線、流量時間曲線的對比情況，可以看出物理模型試驗測量成果與數(shù)值模擬計算得出的水位、流量過程曲線基本一致，物理模型試驗實測的輸水時間略大于數(shù)值計算所得出的輸水時間，最大流量出現(xiàn)的時刻基本一致。表2列出了輸水時間及最大流量的數(shù)模與物模成果對比結(jié)果，輸水時間誤差和最大流量誤差分別為4.56%和3.45%，數(shù)據(jù)吻合度較高，可認為本次數(shù)值模擬計算結(jié)果較為精確，其計算成果可以對閘室流速、流場、紊動能變化等水力特性分析提供可靠依據(jù)。

表2 物理模型試驗與數(shù)值模擬計算結(jié)果對比表

2.2 流場分布

數(shù)模計算中，無消力檻方案采用與設消力檻方案相同的計算參數(shù)設置，通過對比兩種方案閘室內(nèi)各特征斷面的流場、紊動能等指標來研究消力檻的消能效果。

流場是描述流體運動的重要指標，它反映了流體質(zhì)點運動的快慢，是判定消能效果的重要依據(jù)。從圖6與圖7可見：設消力檻方案與無消力檻方案廊道內(nèi)流速分布規(guī)律類似，充水初期，廊道內(nèi)流速呈上游大、下游小的分布規(guī)律，各側(cè)支孔出流量亦呈上游至下游遞減的趨勢；隨著輸水閥門開度增大，上閘首與閘室的水位差逐漸降低，廊道內(nèi)整體流速先增大后減小，整個主廊道內(nèi)流速自上游到下游分布趨于均勻，當t=540 s時，主廊道內(nèi)流速基本小于1.0 m/s。從圖8和圖9可見：由于輸水主廊道內(nèi)水流在流經(jīng)側(cè)支孔時過水斷面面積收縮，故側(cè)支孔區(qū)域流速遠大于其他區(qū)域流速。無消力檻方案中，支孔內(nèi)最大流速約為6.89 m/s。設消力檻方案中，最大流速約為6.06 m/s。在整個充水過程中，閘室內(nèi)流速在水深方向上的分布呈現(xiàn)底部流速大，表面流速小的特點，輸水閥門完全開啟后，閘室水體靠近表面區(qū)域流速趨近于零。

圖6 無消力檻方案閘室水平剖面流速分布圖

圖7 設消力檻方案閘室水平剖面流速分布圖

整個輸水過程中，由于消力檻對水流流向有改變作用，同一時刻下，設消力檻方案中的各側(cè)支孔射流長度要短于無消力檻方案，在充水中期，無消力檻方案中側(cè)支孔射流末端一度可以達到對側(cè)支孔出口處，會對對側(cè)支孔出流產(chǎn)生一定影響，射流能量較為集中；設消力檻方案中閘室底部兩側(cè)消力檻之間區(qū)域的流速相對于無消力檻方案中的對應區(qū)域要小。兩種方案中，側(cè)支孔射流末端都會出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，擺動的劇烈程度呈現(xiàn)隨時間先增大后減小的趨勢。

從圖8與圖9可見：無消力檻方案中兩側(cè)支孔射流直接在閘室底部交匯，相較于無消力檻方案，設消力檻方案水流經(jīng)支孔進入閘室后，由于受到消力檻的阻擋作用，部分水流改變流向，向上朝閘室縱軸線方向流動；同時部分水流翻越過消力檻，與對側(cè)支孔出流在閘室底部交匯，在消力檻前后，支孔射流的動能因內(nèi)摩擦作用而消殺，閘室底部流速相對于無消力檻工況較小，增設消力檻后，支孔射流核心區(qū)域略微抬高，但范圍縮小，整體流態(tài)較為良好，改善了充水初期船舶的停泊條件，但閘室底部需預留一定的富余水深，避免在充水初期支孔射流直接沖擊船舶底部。

圖8 無消力檻方案閘室橫剖面流速分布圖

圖9 設消力檻方案閘室橫剖面流速分布圖

2.3 紊動能分布

紊動能是衡量流體的紊動狀態(tài)的重要參考指標，從圖10與圖11可見：整個充水過程中，閘室內(nèi)整體紊動能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。設消力檻方案中，輸水閥門完全開啟后(t=420 s后)，整個閘室內(nèi)紊動能趨近于零。與無消力檻方案相比，由于水流經(jīng)側(cè)支孔出流后受到消力檻的阻擋作用，支孔射流流向在此發(fā)生較大改變，消力檻之間區(qū)域流速較小，側(cè)支孔射流在閘室中部交匯后并未產(chǎn)生劇烈碰撞，同一時刻檻后紊動能與檻前紊動能相比略有降低，閘室內(nèi)最大紊動能出現(xiàn)在t=300 s時，與無消力檻方案最大紊動能出現(xiàn)時間一致，約為0.37 m2/s2，但遠小于無消力檻工況的2.05 m2/s2。無消力檻方案中，t=180～420 s之間，閘室內(nèi)大部分區(qū)域紊動能大于0.62 m2/s2，遠大于同一時刻下設消力檻方案中同一區(qū)域紊動能，輸水閥門開啟過程中閘室水流紊動更為明顯，在充水初期閘室水位不高時，會一定程度上影響到船只的停泊安全。

圖10 無消力檻方案水平剖面紊動能分布圖

圖11 設消力檻方案水平剖面紊動能分布圖

3 結(jié) 論

本文通過對某船閘充水過程進行數(shù)值模擬計算，獲取了有檻方案和無檻方案充水過程中閘室內(nèi)詳細流場信息，得出結(jié)論如下。

(1)消力檻的布設可以有效地減小側(cè)支孔射流流速，使出流水流在翻越消力檻時能量通過內(nèi)摩擦作用得到消殺，有效地減小了射流造成的水體紊動在閘室內(nèi)的影響范圍。相比于無消力檻方案，同一時刻閘室內(nèi)的紊動能顯著降低，消能效果較好。

(2)設置消力檻后，射流核心區(qū)略微抬高，故設置消力檻后，閘室需預留一定的富余水深?？傮w來說，布設消力檻可以起到良好的消能效果，能為閘室內(nèi)船只創(chuàng)造出良好的停泊條件，可為今后類似工程設計與試驗研究提供參考。

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