船閘短廊道格柵消能室消能特性研究

陳 明，梁應辰，宣國祥，陳明棟

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.中華人民共和國交通運輸部，北京 100736； 3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

?

船閘短廊道格柵消能室消能特性研究

陳 明1，梁應辰2，宣國祥3，陳明棟1

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.中華人民共和國交通運輸部，北京 100736； 3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

針對帶格柵消能室的船閘短廊道頭部輸水系統，建立了整體輸水系統三維模型；通過RNGk～ε雙方程紊流模型，廊道工作閥門的開啟過程利用動網格技術，并結合自由水面處理技術的VOF法，對船閘正常運行工況的灌水全過程進行了三維流動動態仿真研究。以試驗觀測得到的水位、流量和流速過程線，驗證了數學模型和數值方法。根據消能率和閘室自由水面紊動能總量，分析了格柵消能室的消能效果；依據紊動能、紊動耗散率及流速分布揭示了消能機理。結果表明：格柵消能室可消耗90%以上的水流能量，且主要的能量消耗發生在消能室內大量水流能量的交換過程中。

航道工程；船閘；輸水系統；消能；數值模擬

0 引 言

帶格柵消能室的短廊道輸水型式系一種典型的船閘集中輸水系統，應用較為廣泛，我國的連江、高砂、丹竹、芒稻、興隆等船閘均采用了該類輸水型式。目前，對于集中輸水系統消能工消能特性的研究仍以物理模型試驗為主。早在20世紀70年代，對于集中輸水系統消能工的設計和消能效果，荷蘭Delft水工實驗室就進行了相關的試驗研究[1]。在我國，周華興[2]試驗探討了船閘的垂直豎井輸水系統封閉式消能工的設計及其消能效果；連恒鐸[3]通過模型試驗對一組不同消能設施的消能效果進行了比較，結果表明采用倒口消能設施不但出流流態最平穩而且獲得了基本消除險象紊動的效果；鄒炳生等[4]根據短廊道輸水消能機理，結合工程經驗及輸水模型試驗，探討了短廊道輸水雙層格柵消能室及其消能工設計中的問題；吳英卓等[5]針對興隆船閘采用的短廊道格柵消能室的輸水系統，通過物模試驗分析了消能室出口處局部消力設施的消能效果。

采用模型試驗方法，不僅耗時長，投入經費多，而且結果受試驗條件及觀測技術影響，存在一定的尺度效應和誤差。更重要的是難于得到輸水系統內較為復雜水流結構及與消能有關的水力要素(如紊動能，紊動耗散率等)。基于此，筆者針對某船閘帶格柵消能室的短廊道集中輸水系統，采用數值模擬的方法對船閘正常運行工況的灌水全過程進行三維水流動態仿真，研究了格柵消能室的消能效果并揭示了消能機理。

1 數學模型

1.1 基本方程

船閘灌水過程的不可壓非恒定流是通過數值求解RNGk～ε紊流模型[6]而得，該模型的不可壓縮非定常流控制方程張量形式如下：

連續方程

(1)

動量方程

(2)

紊動動能k輸運方程

(3)

紊動動能耗散ε輸運方程

(4)

式(1)～式(4)采用控制體積法進行離散，壓力、速度的耦合求解利用SIMPLEC算法。對無滑移的固壁邊界利用壁面函數法。閥門井及閘室自由液面采用水汽兩相流的VOF模型[7]進行處理。

1.2 網格剖分及邊界條件

計算模型選取某船閘工程帶格柵消能室的短廊道頭部輸水系統(圖1)，閘室有效尺寸為140 m × 14 m × 2.5 m(長 × 寬 × 檻上最小水深)，上游最高和最低通航水位分別為45.00，40.50 m，下游最高和最低通航水位分別為43.37，36.00 m。因此其正常工作水頭H=9 m。格柵消能室正面布置12個格柵孔，頂面布置兩排格柵孔，共24個。

圖1 船閘輸水系統Fig.1 Shiplock filling and emptying system

該模型計算區域較大且復雜，包含了上引航道在內共199 m的范圍，因此采用分塊四面體和六面體混合網格剖分計算區域，同時對復雜和重點研究部位(閥門廊道段和格柵式消能室及其附近區域)進行了網格加密處理，剖分網格單元總數約920 000個，節點總數約360 000個。計算區域及工作閥門廊道段網格剖分如圖2。

圖2 計算區域及網格剖分Fig.2 Grid of computational area

鑒于上游引航道斷面平均流速較小，其產生的動水壓力值較小，所以進口斷面可采用沿水深分布的靜水壓力進口邊界；兩側閥門井頂部自由液面直接與大氣相通，采用空氣壓力進口；閘室自由液面同樣與大氣相通，采用空氣壓力出口。設定的計算邊界條件如圖2所示。針對閥門開啟過程，為保證網格質量，采用動網格技術調整和更新閥門運動后的網格[8]。

根據閘室底部高程(32.50 m)和下游最低通航水位(36.00 m)可知，在T=0 s時，閘室初始水深為3.5 m。此外，閥門開啟方式與開啟速度對輸水流量及閘室水流條件影響較大。進行數值計算時，閥門按7 min勻速開啟方式，速度為6.4 mm/s。

1.3 數學模型驗證結果

采用船閘整體水工物理模型(比尺為λL=36)實測的灌水過程水力特性(包括水位、流量及流速過程線)對數學模型進行驗證。

1.3.1 水位、流量驗證

圖3 水位、流量實測與計算值比較Fig.3 Comprison of calculated and experimental H and Q

圖3對比了灌水過程閘室中心點的水位及輸水流量計算值與實測值。由圖3可知，兩者灌水時間相差甚微，計算為535 s，實測為540 s，誤差僅為0.93%。水位變化過程線吻合較好，流量變化曲線與實測曲線基本一致。最大流量計算值為58.06 m3/s，實測值為60.58 m3/s，誤差為4.16%。此外，在420 s附近時段(即閥門開度約為0.79)，計算流量值相對偏大，原因在于當工作閥門開度大于等于0.8后，原型流量系數大于模型流量系數所致[9]。

1.3.2 流速驗證

在測定船閘灌水過程閘室的非恒定三維流速時，選取距閘室起始斷面57 m的橫斷面上不同水深處的任意3點，具體位置見表1。

表1 測點位置

閘室非恒定瞬態流速的采集采用三維點式聲學多普勒ADV流速儀進行測量。根據主流方向(x方向)的流速計算值與實測值間的過程線對比(圖4)知，在整個灌水過程中，數值計算的非恒定流速總體變化趨勢與實測值基本吻合，較好地捕捉了閘室水流特性。

圖4 主流方向(x方向)流速過程線比較Fig.4 Comprison of calculated and experimental x-velocity of measure points

2 消能效果

2.1 消能率

以左右廊道出水口(1-1和2-2)為格柵消能室的入流進口，以正面和頂面格柵孔(3-3和4-4)為格柵消能室的出流口(圖5)，通過水流能量可建立格柵消能室的消能率計算公式。

圖5 格柵消能室的消能率計算斷面位置Fig.5 Cross sections used for computation of energy dissipation rate

在格柵消能室段，水流能量主要以動能為主，因此消能率η可表示為：

(5)

式中：E1-1～E4-4分別為左右廊道出水口水流動能以及正面和頂面格柵孔出流剩余動能，均按式(6)進行計算。

由文獻[10]可知，某一斷面上的水流動能E可按式(6)計算：

(6)

式中：Ac為某一研究斷面；v為水流流速大小；S為積分曲面。

根據式(5)可求出在整個灌水過程中關于格柵消能室的消能率，見圖6。可見消能率值均在90%以上，說明該類集中輸水系統90%以上的水流能量主要倚靠格柵消能室予以消耗。

圖6 格柵消能室的消能率時程曲線Fig.6 The time-history curve of energy dissipation rate of room

2.2 閘室自由水面紊動情況

閘室水面的紊動或涌動情況是判別消能設施的消能效果的另一個重要方面。筆者以有無設置格柵消能室時的閘室自由表面紊動能進行對比研究格柵消能室的消能效果。

若以閘室自由水面上的紊動能總量來分析整體紊動情況或水面涌動情況，可通過式(7)計算某一面上的紊動能總量：

(7)

式中：Af為所研究的閘室自由水面；k為閘室自由水面上任意處的紊動能。

對集中輸水系統，閘室自由水面紊動較為強烈的部位主要位于閘室的上半部分，筆者重點研究靠近格柵消能室附近的一段閘室區域(14.8 m≤x≤65 m)。

圖7為在有無格柵消能室情況下灌水期內前340 s(包括出現最大流量的時刻在內)閘室自由表面紊動能總量。

圖7 有無格柵消能閘室自由表面紊動能總量的比較Fig.7 Comparison of total turbulent kinetic energy on free surface in lock chamber with and without energy dissipation room

從圖7中可看出，設有格柵消能室后的水面紊動明顯小于未設置格柵消能室的情形，且最大差值達55.83 m4/s2，說明格柵消能室的設置與否對該類輸水系統的設計和正常運營起關鍵作用。同時還應注意，盡管格柵消能室的消能效果相對于無消能設施的情況較為顯著，但由于消能室內未布設任何型式的輔助消能工，在模型試驗時對閘室流態的觀察發現，閘室水面的紊動對船舶的停泊條件依然造成一定影響。紊動能總量的最大值9.05 m4/s2亦可解釋實驗觀測的現象，說明采用的格柵消能室尚存在較大的改進余地。因此，為了達到更加優越的消能效果，需對格柵消能的消能工布置型式或體型作進一步的研究。

3 消能機理

揭示格柵消能室的消能機理，既可充分解釋其消能效果，又對其水力設計具有重要指導意義。實際上，格柵消能室消能過程即為水流能量的傳遞和轉換過程，而紊動能k和紊動耗散率ε是反映能量傳遞和轉換特性的重要參數。若紊動能和紊動耗散率的值越大，則能量傳遞和轉換速率也越快。

限于篇幅，圖8僅給出了在最大閘室斷面平均流速時水平剖面y=-5 m上的紊動能和紊動耗散率分布。從圖8中可知，紊動能和紊動耗散率主要分布在格柵消能室所處的位置(14.8 m≤x≤20.2 m)，由此也說明水流能量的傳遞和交換主要集中在格柵消能室內發生。

圖8 閘室特征水平剖面紊動能、紊動耗散率分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution and Turbulent dissipation rate distribution on horizontal section in lock chamber

格柵消能室通過水流能量的傳遞和交換進行消能是左右兩側廊道內的兩股高速水流進入消能室后發生強烈碰撞和對沖，大部分水體參與并形成兩個較為強烈的反向漩渦，在左側形成順時針漩渦，在右側形成逆時針漩渦，如流速矢量圖9，與此同時，水流與消能室壁面發生劇烈摩擦。在以上多種運動方式的助推下發生水流剪切、摩擦、摻混等現象。

圖9 閘室特征水平剖面流速矢量(T=209 s)

由于黏性作用，由時均動能轉化來的脈動動能變為熱能耗散，水流損失了能量，從而引起水流動能向熱能的交換，以取得能量消剎的效果。事實上，格柵消能室的消能過程可分為三步：

1)在高速水流由廊道流入消能室時，由于斷面的突擴，形成了第1次水流能量擴散過程；

2)在消能室內發生大量水流能量交換過程；

3)當水流流經格柵孔時，由于斷面的突縮和突擴，致使水流能量得到進一步消耗。

4 結 論

船閘帶有格柵消能室的短廊道頭部輸水系統，其輸水過程產生的水流屬非定常流，流態相當復雜。筆者采用三維數值模擬研究手段，得到流速分布、紊動能和紊動耗散率分布等詳細的水力特性，研究得到以下結論：

1)數值模擬結果與物理模型實測數據對比結果表明：兩者吻合較好。驗證了數值計算結果的合理性和可靠性，說明利用文中提出的數值計算方法進行船閘輸水全過程三維流動的動態仿真研究是可行的。

2)通過對格柵消能室的消能效果分析得知，格柵消能室的消能率較高，可消耗90%以上的水流能量，但由于消能室內未布設任何型式的輔助消能工，閘室內仍存在一定程度的水面紊動。因此采用何種消能工布置型式以穩定閘室自由水面需作進一步的研究。

3)在對消能機理的研究中，提出格柵消能室的消能量主要包括高速水流由廊道流入消能室時消耗的能量、在消能室內發生大量水流能量交換過程消耗的能量，以及水流流經格柵孔時消耗的能量3部分。而且，主要的水流能量消剎是發生在消能室內進行大量水流能量的交換過程中。

[1] Delft Hydraulics Laboratory.Low-Head Navigation Lock Door Filling and Emptying Systems Developed Hydraulic Investigation [R].Delft:Delft Hydraulics Laboratory,1973.

[2] 周華興.船閘豎井短廊道輸水系統的合理布置[J].水道港口,1980 (4):38-43. Zhou Huaxing.Reasonable layout type of shiplock filling and emptying system with short culverts and vertical shaft [J].Journal of Waterway and Harbor,1980(4):38-43.

[3] 連恒鐸.倒口出流消能技術在船閘集中輸水系統設計中的應用[J].水運工程,1996(4):15-18. Lian Hengduo.Stilling technique of inverte doutlet flow in design of concentrat ed filling & emptying system of shiolock [J].Prot & Waterway Engineering,1996(4):15-18.

[4] 鄒炳生,王召兵.雙層格柵消能室在中水頭短廊道輸水船閘中的應用[J].水運工程,2002(8):54-57,62. Zou Bingsheng,Wang Zhaobing.Application of double-deck grid stilling chamber in middle water head short-culvert conveyance shiplock [J].Prot & Waterway Engineering,2002(8):54-57,62.

[5] 吳英卓,江耀祖,王智娟,等.興隆船閘關鍵水力學問題研究[J].水利水運工程學報,2012(4):6-12. Wu Yingzhuo,Jiang Yaozu,Wang Zhijuan,et al.Research of key hydraulic problems of Xinglong Shiplock[J].Hydro-Science and Engineering,2012(4):6-12.

[6] Yakhot V,Orzag S A.Renormalizationn group analysis of turbulence:basic theory [J].Journal of Scientific Computation,1986,1:3-11.

[7] Hirt C W,Nichols B D.Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundary [J].Journal of Computational Physics,1981,39:201-225.

[8] 楊忠超,楊斌,陳明棟,等.高水頭船閘閥門開啟過程水力特性仿真研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2009,28(4):758-762. Yang Zhongchao,Yang Bin,Chen Mingdong,et al.Simulation study on hydraulics characteristic of high head lock during valve opening process based on dynamic mesh technology [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2009,28(4):758- 762.

[9] 須清華.船閘輸水系統的水工模型縮尺影響[J].水利水運科學研究,1985(4):1-8. Xu Qinghua.Scale influence of hydraulic model test for lock filling and emptying system [J].Hydro-Science and Engineering,1985(4):1 -8.

[10] 王作高.船閘設計[M].北京:水利電力出版社,1992. Wang Zuogao.Design of Shiplock [M].Beijing:Water Resources and Electric Power Press,1992.

Energy Dissipation Characteristics of Room with Grating Holes of Shiplock Filling and Emptying System

Chen Ming1，Liang Yingchen2，Xuan Guoxiang3，Chen Mingdong1

(1. Key Laboratory of Hydraulic & Waterway Engineering of the Ministry of Education of the People’s Republic of China, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Ministry of Transport of the People’s Republic of China, Beijing, 100736, China; 3 Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

As for the lock-head filling system of shiplock composed of short culverts and energy dissipation room with grating holes, its whole 3-D model was established. Through RNGk～εmodel of turbulence flow, the 3-D numerical simulation for dynamic characteristics of filling flow under the normal operation condition were conducted by using dynamic mesh technology for the valve and method. According to the energy dissipation ratio and the amount of free surface turbulence kinetic energy,the energy dissipation effect of room with grating holes was analyzed. According to the turbulence kinetic energy, turbulence energy dissipation ratio and velocity distribution, the energy dissipation mechanism was revealed. The results indicated that more than 90% of thewater flow energy can be consumed by the energy dissipation room with grating holes and the energy consumption mainly occurs in the process of energy exchange in the energy dissipation room.

waterway engineering; shiplock; filling and emptying system; energy dissipation; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.17

2013-05-06；

2015-06-10

重慶市教委科學技術研究項目(KJ1400322)；重慶市科委自然科學基金項目(CSTC2011JJA30002)

陳 明(1983—)，男，江西九江人，博士，主要從事通航水力學方面的研究。E-mail：chenmingjy@126.com。

U641.1

A

1674-0696(2015)05-084-05