張慶亮，吳星

（1.中設(shè)科欣設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 紹興 312000)

1 引言

船閘是幫助船舶克服水利樞紐集中水位落差的通航建筑物，閘室水流條件直接影響船舶停泊安全。隨著高壩工程的修建和通航需求的提高，船閘水頭越來越高，平面尺度增大，輸水流量隨之增大，使得閘室水流紊動(dòng)加劇，不利于船閘通航安全。閘室水力特性與輸水時(shí)間、輸水系統(tǒng)及閘室消能型式等緊密相關(guān)。閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于中水頭船閘的分散輸水系統(tǒng)，我國的桂平二線、那吉等船閘均采用該輸水系統(tǒng)型式。此類輸水系統(tǒng)在閘室的底部布置輸水廊道，輸水廊道兩側(cè)連接短支孔與閘室相連。

數(shù)值模擬是研究船閘水流條件的有效手段，它具有修改方便、數(shù)據(jù)信息豐富、高效、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，是原型觀測及物理模型實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。王智娟等對船閘閥門段水流條件模擬，并對體型進(jìn)行優(yōu)化。黎賢訪等對閘墻長廊道輸水系統(tǒng)船閘灌水過程支孔出流特性進(jìn)行了分析。陳明等對集中輸水系統(tǒng)船閘閘室流態(tài)進(jìn)行分析，并基于CFD 軟件二次開發(fā)計(jì)算出船舶系纜力。上述研究加深了對船閘輸水過程水力特性的認(rèn)識(shí)，可為船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

本研究建立閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型，對船閘灌水非恒定變化過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析輸水廊道、側(cè)支孔及閘室內(nèi)水流流速、流態(tài)的時(shí)空演化特性。

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型以某閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)為原型，支孔出流后采用雙明溝消能。閘室的有效尺度為220m×34m×4.5m（長×寬×門檻水深）；閘底主廊道斷面寬5.5m、高5.5m，內(nèi)設(shè)分流墩；主廊道兩側(cè)各設(shè)24 個(gè)出水支孔，兩側(cè)支孔對稱布置；支孔外設(shè)雙明溝進(jìn)行消能；設(shè)計(jì)上下游通航水位差最大值為14.4m。數(shù)學(xué)模型以上閘首下邊緣為起點(diǎn)指向下游為x 軸正方向，以閘室中軸線為起點(diǎn)指向左岸為y 軸正方向，以高程方向向上為z 軸正方向。

2.1 控制方程

本研究采用CFD 軟件模擬船閘的非恒定灌水過程，數(shù)值模擬采用RNG k～ε 紊流模型，采用有限容積法對偏微分方程進(jìn)行離散，壓力與速度的耦合求解采用PISO 算法，運(yùn)用VOF 技術(shù)對閘室自由水面進(jìn)行追蹤。假設(shè)流體為不可壓縮的粘性流體，連續(xù)方程和動(dòng)量方程如下：

方程中其他的表達(dá)式及常數(shù)如下：

2.2 網(wǎng)格剖分及邊界條件

數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括閘室、輸水廊道、側(cè)支孔、雙明溝在內(nèi)長約244m 的區(qū)域。計(jì)算區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和楔形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，同時(shí)對側(cè)支孔、明溝及其附近區(qū)域進(jìn)行局部加密，剖分的網(wǎng)格單元總數(shù)約為130 萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為136 萬個(gè)。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

為了簡化計(jì)算，該模型未設(shè)置廊道輸水閥門，將上游兩側(cè)廊道作為流量進(jìn)口，其流量變化是根據(jù)船閘整體輸水系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)確定的，閘室流量過程線如圖2所示。本研究認(rèn)為兩側(cè)廊道的進(jìn)水流量相等，則各側(cè)廊道進(jìn)口流量為閘室流量的一半。計(jì)算域頂部高于閘室最高水位，與大氣相通，設(shè)置為空氣壓力出口。閘室水位隨輸水過程變化，存在自由表面，運(yùn)用VOF 技術(shù)進(jìn)行捕捉。

圖2 閘室流量過程線

2.3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

本文建立了幾何比尺為1:30 的船閘整體水工物理模型，基于實(shí)測灌水過程下閘室中部水位過程線，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為數(shù)值計(jì)算的閘室中心點(diǎn)水位與物模實(shí)測值的對比。從圖中可以看出，數(shù)值計(jì)算的閘室水位與物模實(shí)測曲線趨勢一致，均隨灌水過程的進(jìn)行而升高，變化速率先增大后減小。各時(shí)刻下，模擬值較實(shí)測值偏小，這可能是由于數(shù)值模擬依賴于網(wǎng)格的解析度所致，但二者之間的差異不超過2%，表明該數(shù)學(xué)模型能較好地模擬船閘輸水水力動(dòng)態(tài)變化過程。

圖3 閘室水位計(jì)算值與實(shí)測值對比

3 計(jì)算結(jié)果與分析

限于篇幅，本文僅分析最不利水位組合（水頭差14.44m）、雙邊閥門5 分鐘勻速開啟、灌水過程下閘室內(nèi)的水力動(dòng)態(tài)變化過程，并重點(diǎn)圍繞三個(gè)典型時(shí)刻進(jìn)行分析：上游閥門開度n=0.2（t=60s，Q=78.1m·s）、最大比能時(shí)刻（t=140s，Q =256.2m·s）、最大流量時(shí)刻（t =270s，Q =396.4m·s）。

3.1 支孔出流及縱向流速變化

圖4為不同時(shí)刻下，側(cè)支孔水平中剖面的流速分布圖。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，水流自閘首兩側(cè)的廊道進(jìn)入后，經(jīng)匯流口匯流進(jìn)入閘室底部的輸水主廊道，之后經(jīng)側(cè)支孔進(jìn)入消能明溝，明溝內(nèi)的水流向閘室內(nèi)擴(kuò)散。從圖4a 中可以看出，在灌水初期，閘底廊道的水流由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，水流自上游向下游流動(dòng)，從而使得側(cè)支孔自上游向下游依次出流。從初始時(shí)刻（t=0s）至流量最大時(shí)刻（t=270s），由于流量的增大，整體流速呈增大的趨勢，在最大流量時(shí)刻，支孔流速最大約為7m·s。在不同時(shí)刻下，閘底廊道內(nèi)的流速均呈自上游向下游遞減的趨勢。

圖4 閘室特征斷面流速分布云圖：(a)t=60s,(b) t=140s,(c) t=270s

圖5為側(cè)支孔中剖面局部出流流速分布圖。從圖中可知，水流經(jīng)支孔出流后，在第一道明溝內(nèi)形成射流，在高速射流的卷吸作用下兩支孔間形成兩方向相反的消能漩渦；通過透水孔進(jìn)入第二道明溝內(nèi)的水流在邊壁的作用下同樣形成漩渦，水流較為紊亂；由于支孔過水面積較小，因此在支孔處的流速最大。

圖5 支孔出流局部流速分布（t=270s）

3.2 閘室橫向流速分布

圖6為閘室特征橫斷面上的流速及流線分布，其中x=69.9m 位于閘底廊道的分流墩處，x=155.9m 位于分流墩外。從圖中可知，在x=69.9m 處，閘底廊道被分為左右兩部分，漩渦存在于分流墩附近；在x=155.9m 處，由于水流從廊道左右兩側(cè)分流，在廊道中部形成漩渦。水流出支孔后射入第一道明溝，第一道明溝內(nèi)的水流部分向水面運(yùn)動(dòng)，部分經(jīng)消力梁上的透水孔進(jìn)入第二道明溝并受閘墻的阻擋向水面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)閘室兩側(cè)的水流向閘室中部流動(dòng)。在第二道明溝內(nèi)，在透水孔出流的卷吸作用下，使得透水孔上下兩側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)方向相反的漩渦。閘室內(nèi)在不同位置存在不同大小、范圍的漩渦。

圖6 閘室特征橫斷面流速及流線分布圖（t=270s）

4 結(jié)論

本文針對閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型，對船閘灌水的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行模擬，分析閘室三維水力特性，主要結(jié)論如下：

（1）在船閘灌水初期，側(cè)支孔自上游向下游依次出流；由于支孔過水面積較小，因此在支孔處的流速最大；閘底廊道內(nèi)的流速均呈自上游向下游遞減的趨勢。

（2）在第一道明溝內(nèi)，由于高速射流的卷吸作用，兩支孔間形成兩方向相反的漩渦；在第二道明溝內(nèi)，則在透水孔上下兩側(cè)形成兩方向相反的漩渦。

（3）在閘室內(nèi)，兩側(cè)明溝內(nèi)的水流向上、向閘室中部流動(dòng)，存在不同大小、范圍的漩渦，使得閘室停泊條件更加復(fù)雜。