通航船閘物理模型非恒定流模擬測控系統研發及應用

周卓亮 陳輝 范敏

摘 要：船閘擴能改造期施工圍堰縮窄了引航道的局部水域寬度，改變了引航道的通航水流條件，對壩區過往船舶的安全航行存在影響。本文針對船閘擴能改造期施工圍堰縮窄引航道局部水域引起通航水力學問題，建立水動力數學模型，研究船閘不同運行水位條件下施工圍堰對船閘上游引航道和口門區通航水流條件的影響，并提出合理的船閘優化運行方式，降低引航道最大流速，最大波高、水面線坡降等各項水力指標。研究成果對船閘擴能改造期船舶安全快速過閘具有十分重要的意義。

關鍵詞：船閘;引航道;施工圍堰;通航水流;數值模擬

通航船閘模型主要用于研究壩區航道通航水力學、船閘輸水系統水動力學以及上、下游航道水力學，隨著內河航運發展，船閘通過能力以及航運安全要求的進一步提升，對壩區航道通航水力學科研成果質量以及測試精度有了更高的要求，船閘充泄水產生的航道非恒定流問題以及險灘、急彎等自然邊界影響航運安全、制約航道通航能力提升等關鍵技術問題。

本文研發非恒定流控制系統以及基于圖形粒子測量系統非恒定流航道流場測試系統，為更精細、快速、系統地了解壩區航道通航船舶航態和通航水流條件，為壩區航道通航模擬的各項任務提供高質量的科技服務平臺，為深入研究探討船舶航行與航道水流條件相互影響關系的基礎理論和工程應用提供基礎條件。

1? 非恒定流控制系統

非恒定流測控系統由可控電動閥門及流量計組成，通過調節閥、換向閥、管道模擬船閘充泄水流量過程，采用數控調制模塊及船閘充泄水軟件對系統流向控制、分配，實現了模擬船閘充泄水場景。

測控系統采用相位平均法嚴格按照統計平均的方法對紊流的平均運動特性以及脈動特性進行研究，因而要求能夠完全重復周期性的試驗，而且各次試驗的水流條件以及邊界條件完全相同。本系統的非恒定流生成系統由計算機程序控制，從而形成穩定的非恒定流過程，本系統產生的非恒定流過程的穩定性已經過檢驗。

非恒定流模擬控制系統主要有以下特點：

（1）使用數控調制模塊控制可控電動閥門能夠得到較好的非恒定流過程，同時在管路上安裝電磁流量計測量總水管流量，上位計算機控制流量時進行計算控制模型流量按照船閘充泄水設定模式運行。

（2）電磁流量計測量總水管流量數據信號直接接入中心計算機控制系統，控制系統隨時對流量進行記錄。并且隨時可以生成EXCEL報表和趨勢曲線。

（3）實驗者可自定義設置各閥門開啟流量過程、開啟時間，可以模擬多組合船閘充泄水流量過程。

2通航水流流速分布測量系統

通航水流流速分布測量系統是基于粒子圖像測速法（PIV）原理，如圖 3 所示，運用圖像處理、模式識別與快速時序處理等技術開發研制的新一代表面流場測量及分析系統。設計了具有良好仿射變換魯棒性的局部特征配準算法模塊，提升了系統在示蹤粒子高速運動、旋轉、遮擋情況下的追蹤能力，同時，通航水流流速分布測量系統滿足不同大小范圍試驗流場測試，通過多通道高分辨視頻聯合，利用數據拼接功能對不同測量區域流場數據進行拼接，生成完整的大規模表面流場數據文件，實現了大范圍模型水流流場測試要求。

通航水流流速分布測量系統滿足大范圍模型水流流場測試要求及精度，模型范圍大于1000m2，大規模組網測量，系統模塊化設計，擴展性優異，實現大范圍流量同步測試，且不擾動水流，抗干擾能力強，測量精度毫米級的，精細流場高精度測量。可測流速范圍為0.1mm/s-10.0m/s，平面內流場測量精度1%，垂直于平面的流速測量精度1.5%;采樣頻率1500幀/秒，最高頻率達10000幀/秒;流場最小空間分辨率0.2mm;測量平面及三維流場，可測顆粒體積濃度范圍為0-0.1%。

該系統具備以下幾個特點：

（1）系統穩定運行能力。在復雜多變的現場環境下能夠安全穩定高效地運行，能夠適應全年的溫度、濕度變化;量測數據穩定準確。

（2）高精度測量能力。保證系統的高精度量測效果，能給出豐富的表面流場數值，能給出高密度的實測數據，所測流速值可被直接采信，精度可與ADV數據比對。

（3）復雜流態測量能力。對復雜精細流場具備捕捉、刻畫能力;精確測量渦旋結構，為科研工作者開展精細流場的理論機理研究提供強有力的實驗保障

（4）移動與便攜測量能力。Namec-Advanced系列設備提供多角度量測功能，提供移動安裝以及多角度測量功能，方便科研工作者在不同模型上使用該套設備進行測量。

3物理模型非恒定流模擬測控系統

3.1物理模型概況

建立1：50船閘水力學物理模型。模型模擬范圍包括整個上游引航道、船閘上閘首、各處靠船墩、各船閘進水口、口門區長750m河道等。模型全長約80m，最寬22m。模型采用上述非恒定流控制系統模擬各線船閘泄水過程，同時利用建立通航水流流速分布測量系統地進行流態、水面波動、流速分布等測試，開展引航道通航水流條件及改善措施研究。

選擇上游引航道口門區至船閘引航道及靠船墩等重點研究區域，在航道中心線及系船墩處共布置8個攝像機測試航道流場流速變化過程，物理模型及測量系統布置見圖4所示。

3.2引航道流態及流速成果

圖5為船閘充水過程典型時刻航道表面粒子流態以及實時流速分布。船閘充水起始時段，船閘進水口開始流量增大，水面略有跌落，引航道水體向進水口逐次匯集，隨流速增大，在沉箱段與土石圍堰結交部位由于存在拐彎而出現較大范圍回流區（橫向距離圍堰40m左右），擠壓該區域水流有所偏轉，對靠船墩上游區段略有影響;隨流速降低，該處回流區逐漸減小;隨船閘充水終了，水流由于慣性作用還向船閘涌進，一定時刻之后，水面抬升至最高，水流復向上游回轉，由閘首向上游依次轉為反向流動，在閘前約600m區段，已處于圍堰影響區段之外，反向流已減弱不明顯;在反向流動較大時段，沉箱段與土石圍堰結交部位復又出現回流區域。其他區域流速不大，水面平穩。

通過非恒定流通航流場測試系統測試航道水流流速分布，后期處理后流速分布成果見圖6。

4 結論

結合船閘航道物理模型試驗基礎條件，研發船閘非恒定流測控系統，包括：非恒定流控制系統以及通航水流流速分布測量系統，實時控制模型水位流量，監測整個試驗區段通航水流條件，分析航道的適航性，實現非恒定流流量控制以及通航水流流場測試的自動化，得到高性能存儲和處理海量的觀測數據，提升通航水力學以及其他相關試驗研究的觀測能力，取得精度更高、更全面的試驗成果，推動一批原創性和高水平的科研成果出爐，拓展通航水力學的研究領域，提高和推動相關科研團隊的研究成果質量。

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國家重點研發計劃項目：《重大水利樞紐通航建筑物建設與提升技術》資助項目（2016YFC0402000）