超大输水功率条件下闸室明沟消能特性数值模拟研究

发布时间：2020-11-03 17:31

　　 船闸作为最主要的通航建筑物型式,在我国的水运交通运输和经济发展中占有重要地位,为适应国家战略和经济的发展,超高水头大型船闸的建设是必然趋势。而随着船闸设计水头和平面尺度增加,输水功率大幅增加,单位时间内进入闸室的能量成指数递增。如何在闸室有限水深范围内、规定的输水时间内快速消杀能量,以保障船闸输水阀门设备及闸室内船舶的停泊安全,成为超高水头巨型船闸输水设计的重要技术瓶颈之一。而目前针对该问题的研究较少,鉴于此,开展超大输水功率条件下船闸闸室消能特性的研究十分必要。本文以输水功率达361752k W的船闸(闸室尺度360×23m,水头60m,输水时间14min)为研究对象,针对该类船闸输水过程中的消能问题,提出在垂向布置两层侧支孔出流的结构形式,并采用三维数值模拟的手段对闸室明沟消能的水力特性和消能效果展开了研究。本文采用Fluent紊流计算软件以及RSM紊流模型进行模拟计算。通过分析不同出水孔层数、不同垂向孔间距以及不同开孔角度下明沟的消能特性,揭示其消能机理,重点探究了垂向孔间距与开孔角度对双层侧支孔明沟消能特性的影响,得到如下成果:1.数模计算结果与理论解吻合良好,从而证实了数学模型的可靠性和计算结果的正确性。数模计算结果信息量庞大,全面反映了超大输水功率条件下闸室水力特性和消能过程。2.采用单层侧支孔出流时,断面的突扩、明沟内水流掺混、水流与壁面的摩擦使水流能量耗散,此方案消能效果较差,控制断面剩余比能达120。3.在竖直方向增设一层平行的侧支孔后消能效果更差,剩余比能在137~400。垂向支孔间距d对消能有影响,d4m时,上下两股水流在明沟内无剧烈掺混,未产生漩涡,耗能不充分;4md4.5m时,消能效果稍有好转,剩余比能小于140;d4.5m时,由于上层支孔距离闸底较近,部分水流迅速上冲至闸室,导致进入闸室的水流依旧携带较大能量。4.采用上层孔向下倾斜的两层侧支孔出流时,消能效果大幅提高,大部分工况剩余比能小于60,上下两股高速射流发生剧烈碰撞和掺混,形成强烈漩涡消能。且开孔角度对消能影响显著,消能效果最佳时其开孔角度θ随支孔间距d的增大而增大,d=2~3m时,θ宜取15°,d=4m、5m、6m时,对应的最佳开孔角度分别为30°、35°、50°。5.超大输水功率条件下明沟消能机理主要有:(1)侧支孔的突扩以及高速射流冲击明沟边壁消能;(2)上下两股水流形成强烈紊动、掺混消能;(3)水流沿明沟边壁上冲时与壁面剧烈摩擦消能;(4)剪切、掺混、摩擦、漩涡等水流运动将时均动能转化为脉动动能,进而使能量转变成热能耗散。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U641.31
【部分图文】：

水流和消耗进入闸室中的水流能量（图 1.2）多样，如单廊道单明沟，单廊道双明沟，双究人员针对单明沟、多明沟能设施进行了系统明沟的尺寸和布置形式做出系统总结。侧支孔图 1.1 闸底长廊道侧支孔输水系统平面布置图

国内常见的明沟形式多种多样，如单廊道单明沟，单廊道双明沟，双廊道单明沟（见图1.3）等。我国研究人员针对单明沟、多明沟能设施进行了系统研究，取得了诸多研究成果[9-12]，将明沟的尺寸和布置形式做出系统总结。侧支孔图 1.1 闸底长廊道侧支孔输水系统平面布置图图 1.2 明沟消能设施（a） 单廊道单明沟（b） 单廊道双明沟

图 2.1 船闸整体布置图依据《船闸输水系统设计规范》（后文简称《规范》）对船闸输水系统型式进行选定：m =√= 1.807（2-1），结合闸室尺寸和水头，采用分散输水系统中的水平分流闸底支廊道二区段输水系统型式。输水阀门处廊道断面面积确定后，在进行主廊道断面面积以及出水支孔断面面积拟定时，应考虑以下几个参数的确定：、 、原则上讲： 值越大，输水系统主廊道各段的损失越小； 值越小，各出水支孔之间出流越均匀，但出水孔段阻力相应增大； 值越大，出水孔段的损失越小。本研究采用水平分流闸底支廊道二区段出水输水系统，考虑输水系统布置规范的要求和后续模型试验中设计方案比较的方便，设计出水孔尺寸为 0.6m×1.0m（宽m<2.5阀门处廊道断面面积主廊道断面面积α=主廊道断面面积出水支孔断面总面积β=阀门处廊道断面面积出水支孔断面总面积γ=α βγ
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本文编号：2868878