高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟.pdf

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1、第１期水利水运工程学报Ｎｏ．１２０１７年２月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＦｅｂ．２０１７ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１７．０１．０１２陈琼，李云，刘本芹，等．高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１７（１）：８７－９４．（ＣＨＥＮＱｉｏｎｇ，ＬＩＹｕｎ，ＬＩＵＢｅｎｑｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｎｇｌｅ⁃ｌｅａｆｇａｔｅｏｆｈｉｇｈ⁃ｈｅａｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｌ

2、ｏｃｋ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７（１）：８７－９４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟陈琼，李云，刘本芹，王小东（南京水利科学研究院，江苏南京２１００２９）摘要：针对某山区高水头船闸３０ｍ淹没水深下一字闸门的水动力特性进行研究，借助ＦＬＵＥＮＴ软件提供的Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ-ε紊流模型对门体启闭过程非恒定流场进行动态模拟，通过建立由二维平面混合网格纵向拉伸成的三维棱柱体网格，结合２．５Ｄ重构和弹性光顺动网格法，在降低网格数量、提高计算效率的同时，实现一字闸门启闭全过程三维

3、流场模拟。引入ＶＯＦ法对自由水面迭代求解，得到一字闸门启闭过程门前后水位差及动水阻力矩变化规律，将计算结果与模型试验进行比较，两者吻合较好。模拟计算发现：门底间隙对闸门运行整个阶段动水阻力矩均有影响，动水阻力矩峰值随门底间隙增大而变小。关键词：船闸；一字闸门；数值模拟；水动力特性；阻力矩中图分类号：Ｕ６４１．１文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１７）０１－００８７－０８近年来我国西部河流上规划兴建了多座高水头单级大型船闸，由于西部山区河流多具有狭窄、落差大等特点，其船闸闸门多为“窄而高”的型式，较之人字闸门一字闸门能够显著降低闸门

4、门体的“高宽比”，在适应山区河流闸门工作水头大、通航水位变幅大、航宽窄等运行条件中具有特殊优势。国内外对船闸闸门水动力特性的研究，本质上是对过流水体及门体相互作用关系的研究。通过探究不同功能、体型的船闸闸门在不同水头、边界条件等影响作用下，启闭中的非恒定流过程或者全部开启、局部开启的恒定流过程，优化船闸闸门结构布置、边界条件及启闭方式，改善过闸水流流态，为船闸闸门及其启闭机安全运行提供意见及建议。目前，对带门底间隙的一字闸门转动引起的复杂三维非恒定流模拟，未见相关报道。本文考虑闸门旋转启闭过程的绕流特性，采用在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好表现的

5、Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ-ε双方程紊流模型进行三维数值模拟，重点关注启闭过程动水阻力矩变化规律。由于一字闸门启闭过程门前后水位差对门体所受动［１］［２］水阻力矩量值的增减起关键作用，在模拟中处理自由表面边界条件十分重要，故采用ＶＯＦ法对自由水面进行捕捉。１一字闸门模型试验按重力相似准则取模型比尺为１∶２０，满足几何相似、水流运动相似、门体重心相似及启闭机运动相似。针对高水头单级船闸一字闸门设计规模及闸室“窄而高”的特点，将模型布置于０．６ｍ×２．５ｍ（宽×高）水槽中。一字闸门门叶尺寸４１．０ｍ×１４．８ｍ×２．１ｍ（高×长×厚），通过拉压传感器测

6、得直联式启闭机推拉杆受力，据此获得闸门所受动水阻力矩变化过程。采用无线数字波高仪测定闸门前后水位波动值。物理模型整体平面布置见图１。收稿日期：２０１６－０３－０２基金项目：交通运输部应用基础研究项目“山区通航枢纽大型船闸新型闸门动力特性研究”（２０１３３２９７４６２８０）作者简介：陈琼（１９９０—），女，江苏常州人，硕士研究生，主要从事通航水力学方面研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｉｏｎｇｃｈｅｎｎｈｒｉ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ８８水利水运工程学报２０１７年２月图１物理模型整体平面布置（单位：ｃｍ）Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｏｆａｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ（

7、ｕｎｉｔ：ｃｍ）２计算模型２.１控制方程及数值算法［３］Ｔ．Ｓｈｉｈ等认为，紊动黏性系数计算式中的系数Ｃ不应是常数，而与应变率联系起来，从而提出了μＲｅａｌｉｚａｂｌｅｋ-ε模型，适用于旋转流动。结合研究实际，即高水头船闸一字闸门启闭过程具有较强的三维旋转特性，且门头等区域引起的水体旋转不可忽略，综合考虑精度、计算成本等因素，采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ-ε紊流模型进行模拟，控制方程如下：∂α∂αｗｗ连续方程：＋ｕ＝０（１）ｉ∂ｔ∂ｘｉ∂ｕ∂ｕ２ｉｉ１∂ｐ∂ｕ动量方程：＋ｕ＝ｆ－＋ν（２）ｊｉ∂ｔ∂ｘρ∂ｘ∂ｘ∂ｘｊｉｊｊ－∂（ρｋ）∂（ρｕｊｋ

8、）∂「﹝μｔ﹞∂ｋ]ｋ方程：＋＝

9、

10、

11、μ＋

12、

13、

14、＋Ｇｋ－ρε（３）∂ｔ∂ｘｊ∂ｘｊ[﹝σｋ﹞∂ｘｊ」－∂（ρｕε）２∂（ρε）ｊ∂「﹝μｔ﹞∂ε]－ε