（水利工程专业论文）挖入式港池回流特性及其对淤积的影响研究.pdf

摘要 挖入式港池在我国分布较广泛，但一般都存在一程度的淤积。淤积的主要原 因是回流淤积。回流淤积与回流的流场有密切的关系。因此研究挖入式港池的流 场分布，对研究其淤积情况有十分重要的意义。 从1 9 0 7 年以来，国内外学术界就开始对挖入式港池以及其他同类型的水流 结构进行研究，但是由于挖入式港池的边界较为复杂，动力的来源比较特殊，所 以一直以来是流体力学的一个难题。到目前为止也研究还不够，还未形成较完整 的理论，很多方面还停留在经验总结之上。现有理论有很难反映工程中实际情况。 本文以概化模型实验为基础，运用最先进的试验手段v d m s 系统和p i v 技 术，分别对挖入式港池回流的平面和三维结构进行了测量。在挖入式港池平面回 流结构的分析中，分析了不同角度、不同主流流速、不同的口门宽度以及不同水 深四个方面对挖入式港池的回流流场分布的影响进行，并从能量的角度初步的分 析了各因素对流场影响的原因。而在挖入式港池三维回流结构的分析中，分析了 不同水深、不同主流流速和船舶对回流三维结构的影响。 本文主要偏重于实验研究，以及对实验成果的整理，分析和总结。同时本文 在最后也提到了进一步研究的问题，以便将来更好开展的挖入式港池回流的研究 工作。 关键词 挖入式港池；模型实验；淤积；平面回流形态；三维回流结构 a b s t r a c t t h c r ea r em a i l yd r e d g e dh a r b o rb a s i n sa 1 1o v e rc h i n a ，b u tt l l e r ee x i s ts i l tu p p i n g o fac e n a i nd e g r e e t h es i l 枷o nr e l a t e s 淅t ht h ec i r c 眦l n u e n c e s oi ti si i n p o r t a i l tt o s t i l d y 山ef i e l do f c i r c u m n u e n c e s i n c e1 9 0 7 ，m a n ye x p e r t sh a v es t a n e dt os t u d yt 1 1 ec i r c u m n u e n c eo fd r e d g e d h a r b o rb a s i n s 趾dp r o b l e m so ft h i ss t y l e ，b u tt l l er e s u l t sa r en o te n o u g ht or e n e c tt l l e a c t u a lc i r c u m s t a i l c eo fe n g i n e e r i n gb e c a u s eo ft h ec o 瑚p l e x i t yo ft h eb o u n d a r y c o n d i t i o n sa f l dm es p e c i a l t i e so f l ep o w e rs o l l r c e t h e r e f o r ei th a sb e c o m eah o t p o i n to f n u i dr n c c h a n i c s t h j sp a p e ri sb a s e do nt h es i m p l m e dp h y s i c a lm o d e l t h et w om o s ta d v a i l c e d t e c h n o l o g i e sv d m sa n dp i vw e r ca p p l i e dt oe x p e r i m e n t s t h ep l a n ef l e l da n d3 一d s t m c t u r eo ft h ec i r c u m n u e n c ew e r em e a s u r e d i nt h es t l l d yo ft l l ep l a n ef i e l d ，t h e e f f e c to f d i 巧：r e n td i r e c t i o n s ，d i f 琵r e n tn o wv e l o c i t i e so f r i v e r ，d i f 诧r e n td o o rw i d m so f b a s m sa i l dd i f f e r e n td e p t l l so fw a t e ro nt h ec i r c 啪n u e n c ew e r ea i l a l y z e db a s e do n e n e r g yp r i n c i p l e i nt h es t u d yo f3 一ds t r l l c t l l r e ，t h ei n f e c t i o no fd i f 亿r e n tn o w v e l o c i t i e so fr i v e r ，d i 圩e r e n td e p t h so fw a t e ra n dm eb o a tt ot h e3 - ds t r i l c t l l r eo f c i r c u m 玎u e n c ew e r ea n a l y z e d t h i sp a p e ri sf o c u so nm es t u d yo f 也ee x p e r i m e n t sa 1 1 dt h ew o r ko fd a t a s o m c s u g g e s t i o n sa f ca l s op r o p o s e di no r d e rt oc o m i n u et os t u d yt l l e c i r c u m n u e n c ei n d r e d g e dh a r b o rb a s i n si nf u t u r e l 矗州o r d s 】d r e d g e dh a r b o rh a s i n s ，e x p e r i m e n t so fp h y s i c a lm o d e l ，s i l t a t i o n ，f i g 眦e o fm ep l a i l ec i r c u m n u e n c e ，3 - ds t m c t u r eo fc i r c u m n u e n c e i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签孙塑嗑 炒。年参月g 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 埠 加占年# 月占日 河海大学工程硕士学位论文 第一章、绪论 挖入式港池是港口平面布置中一种常用布置形式，该形式在西欧一些航运较 繁忙的河流上得到广泛的应用，在我国江苏的河网地区和湖南省采用挖入式港池 的港口较多，黑龙江、山东、上海、浙江、河北等省也建有一定数量的挖入式港 池，表1 ，l 列出了其中的2 4 个港池和它们的基本情况【l 】。它们的一个显著特点 就是占用的岸线资源较少，同时还可以开发出新的岸线，这对于一些航运要求较 大而可供利用的岸线资源较少的河流来说，意义尤为重大，对河流的行洪、蓄洪 也有一定的作用。但由于在挖入式港池内普遍存在回流运动，而且回流的流速远 远小于主流的流速，从主流扩散的泥沙进入港池，在港池口门附近以及港池内淤 积，港口管理部门要采用疏浚的方法维持港池内的足够水深，这在一定程度上限 制了挖入式港池的应用。与此类似的情况还有，在冲积河流修建低水头枢纽，其 引航道口门附近将产生回流，并产生潜入引航道内部的异重流，引航道往往存在 严重的泥沙问题，如已建的葛洲坝工程三江上下游引航道也存在着回流泥沙淤积 及对策研究问题1 2 j 。挖入式港池的淤积主要由回流淤积和异重流淤积两部分组 成，回流淤积出现在港池的口门附近，数量相对较大，其淤积特性与回流区的回 流特性关系密切，因此开展内河挖入式港池的回流特性研究不仅具有理论意义， 而且具有实际应用价值。 1 1 挖入式港池在我国的分布 我国幅员辽阔，河流较多，内河航运较发达，绝大部分省份都存在内河航 运，挖入式港池是内河港口一种比较常见布置形式。各个省份在自身地形的特 点，结合运用的具体情况修建了很多挖入式港池。 江苏省由于运河上河道较窄，船舶的航行密度大，岸线资源匮乏，同时河流 的含沙量小，流速不大，在这种条件下，采用挖入式港池不仅减少了运河的航运 压力，同时也拓展了岸线资源。因而，江苏省绝大部分挖入式港池分布于运河之 上，成为我国挖入式港池最多的省份。 而在“黄金水道”长江之上，江苏也有部分挖入式港池，这些河段含沙量较 大，流速较大，同时受潮流的影响，挖入式港池容易发生淤积。但是由于这些河 段航运要求较大，航行的密度较高，通过经济和效果比较，挖入式港池仍有其自 身的优势。上海和浙江的挖入式港池情况与上述情况比较类似。而在湖南和黑龙 河海大学工程硕士学位论文 挖入式港池在考虑防淤或者其他因素，挖入式港池的交角往往会取得较小， 这时对船舶进出港池就产生一定的影响。在河面较宽，河面风速较大的情况下， 挖入式港池中船舶的进出就有一定的困难。例如：西北风向时，由于长沙港港池 的交角较小，港池船舶退挡就略显困难；岳阳港港池在谣风时波动较大，船舶进 出、靠泊不方便，在南北风5 级以上时，船舶进港就有问题。 表1 2 ：挖入式港池淤积情况表 年淤积量年淤积量 港池名称港池名称 ( m )( m ) 长沙港南站港池 o 2 5 0 4 0 无锡港港三区老货场港池 o _ 3 o 5 长沙港金华殿港池 0 _ 2 5 0 4 0 无锡港港三区新货场港池 o 3 0 5 岳阳港港务公司港池 1 o ，1 5无锡港港务四区港池o - 3 0 5 沅江纸厂作业区港池 o 0 9 无锡港港务五区西港池 o 3 0 ，5 苏州白洋湾中转港池 0 3 o 5 江阴暨阳房地产公司码头 0 3 o 5 苏州白洋湾综合港池 0 3 o 5 江阴废金属回升公司码头 0 3 o 5 苏州白洋湾货一线港池 0 r 3 o 5镇江大港内河港池1 o 2 o 上海宝山宝钢成品码头港池 1 0 1 1 9 9 南京栖霞山化肥厂港池 1 上海关港港区 o 5 5 1 3 、船舶出港视线受阻 挖入式港池在河岸两旁建筑物较多时，出港船舶的视线受两旁建筑物的阻 挡，可视范围减小，不易观察到主航道上下游来的船舶，容易引起两船相撞的事 故。 挖入式港池口门开敞而内端封闭，属于典型的盲肠河段，在主流的作用下， 港池内部会产生一个中心水位较低、外部水位较高的螺旋水流。从1 9 0 7 年以来， 国内外不少学者就开始对挖入式港池以及其他同类型的水流结构进行研究，但是 由于挖入式港池的边界较为复杂，动力的来源比较特殊，所以一直以来是流体力 学的一个难题。到目前为止，此方面的研究己取得了不少的成果，很多成果也广 泛的应用于生产之中。 1 - 3挖入式港池回流的研究 1 3 1 挖入式港池回流运动的物理模式 挖入式港池可概化成断面为矩形的棱柱体且与主流正交的概化几何型态，如 图1 1 所示【4 。主流经过港池口门时，出现了速度间断面。在水流失稳后即产生 沿程尺度递增的大小涡团。将口门处这种涡体产生、掺混和消失的活动范围称为 口门掺混区如略去瞬时问歇性的复杂流动，从统计平均的意义来说，掺混区具 河海大学工程硕士学位论文 g = a p o ) 的流速大于流出部分 河海大学工程硕士学位论文 3 3 2 回流边界 虽然内河挖入式港池内的水流系统是一相对封闭的回流系统，但是由于主流 回流交界面处的紊动切应力是回流的形成的主要原因，因此，回流的平面尺度与 主流的水文条件和边界条件密切相关。在回流的宽度充满整个港池的情况下，回 流的长度是衡量回流平面尺度的唯一标准，影响回流长度的主要因素有港池的尺 度、港池轴线与主流交角、主流流速、港池水深等等。试验结果表明，对回流平 面尺度影响最大的因素是港池轴线与主流流向的交角以及港池的宽度，而主流流 速的影响较小。本次试验港池的长度都足够长，能使回流充分发展，回流的平面 尺度具有如下规律。 a 、回流的宽度受港池宽度的限制，随港池宽度的增加而增加。 b 、当其它条件不变时，回流的长度随港池宽度的增加而增加( 表3 1 ) ；当 港池口门宽度改变时，回流的宽度随之增加，回流的长度也随之增长，回流的形 状却几乎不发生变化。 表3 1回流长度随港池宽度的变化 主流流速港池水深回流长度l r 交角。 ( c m s ) ( h ) b = 4 2 c mb = 8 4 c m 1 9 41 51 5 0 。1 2 42 1 4 2 5 81 51 5 0 。1 2 62 1 0 3 2 - 31 51 5 0 。1 2 42 0 7 3 8 71 51 5 0 。1 2 62 0 8 c 、当其它条件不变而港池轴线与主流交角的增加时，回流的范围呈现较大的差 异( 图3 6 ) ，即回流长度随0 的增大而增大，回流长度与港池宽之比有较大差 别。 河海大堂工撑诹士# 馔鼍耋蔓 ；i | 蠢 剩 ! b h ；m 嚣，茔 x 河海大学工程硕士学位论文 和不同交角( 表3 4 ，图3 9 ，图3 1 0 ，图3 1 1 ) 的2 5 组试验结果，可知回流 强度与主流流速呈线性增长关系。 表3 4 不同主流流速条件下回流强度 港池宽度 主流流速 1 2 0 01 5 0 。 ( c m )( c m s ) h = l o c m h = 5 c m 4 2 6 5 6 4 2 1 2 91 81 2 4 21 9 42 8 1 9 4 22 5 84 9 2 7 4 2 3 2 35 1 3 5 4 2 3 8 77 - 2 ii ：h 2 l 。c m b = 4 l ： ： u ol o2 0 3 04 0 图3 9 回流强度与主流流速的关系 ( o = 6 0 。) 3 4 4 港池水深对回流强度的影响 港池水深对回流流场的影响不明显，从流体力学的角度来说，水深加大，则 剪应力也随之加大，但是质量和体积随水深的增加而加大。所以单位面积上的剪 应力并不随之增加，因而回流的强度和范围基本保持不变。 由表3 5 可知，当主流流速和港池轴线与主流流向交角相同时，水深的变化 对回流流速的影响较小，其规律不明显。回流强度作为判断港池淤积的一个指 标，因此，可以推断在天然河道中，水深的变化对港池的淤积速度的影响较小， 河海大学工程硕士学位论文 的次生回流区内将出现异重流淤积。回流对港池淤积的影响可以从如下几个因素 分析。 3 6 1 港池轴线与主流流向的交角。 从前面的分析可知，回流强度和回流的平面尺度都随e 的增大而增大，意味 着水流在交界面处的紊动作用也相应增强，将会有更多的泥沙进入港池淤积，因 此在来沙条件相同的情况下，港池的淤积范围和厚度将会随e 的增大而增加。当 e 1 2 0 。时，港池口门上侧壁附近形成的滞流区，也会因流速小而导致泥沙淤 积。 3 6 2 港池宽度 随着港池宽度的增大，主回流交界面也相应增大，紊动掺混作用必然增强， 引起回流强度和回流范围都随港池宽度的增加而增大，因此在来沙条件相同的情 况下，港池淤积的范围和厚度将会随港池宽度的增大而增大。 3 6 3 主流流速 主流流速是引起回流强度增大的主要因素，主流流速的增大，将导致主流区 与回流区水体交换增强，加大回流区的淤积。但流速加大，水流的挟沙能力也加 强，泥沙在港池内落淤比较困难，但是又由于水流的挟沙量增加，因此港池内的 淤积情况与主流流速之间不存在简单的线性关系。 3 6 4 港池水深 虽然港池水深的增大也会引起主流回流交界面相应增大，引起回流强度的增 大，但是这种影响相对较小，对于回流区的淤积的影响也相对较小。但是，由于 水深的增加，有利于异重流的发展，因此，可能会对次生回流区带来较大的影 响。 3 7 本章小结 挖入式港池是河港常用的一种型式，随着水运事业的发展，如何合理使用岸 线将是一个重要的课题。采用挖八式布置，可在较短的天然岸线内获得较多的码 头泊位，对于合理使用岸线提供了一个途径。因此，开展挖入式港池水沙运动特 性的研究，具有一定的现实意义。本章通过挖入式港池物理概化模型试验研究， 分析了挖入式港池平面回流产生的机理以及运动特性，认为回流产生的原因是水 流的分离、交界处的紊动切应力和重力补偿三重作用。平面概化物理模型试验结 4 1 河海大学工程硕士学位论文 第四章、挖入式港池回流三维结构的研究 挖入式港池回流的三个方向的尺度都大致相当，是典型的三维水流。将挖入 式港池回流的平面化，实际只是将回流结构简单化，很大程度上并不能反映回流 结构的真实情况。比如：按挖入式港池平面回流分析的结果，挖入式港池内的回 流淤积体应该是形成与回流范围一致的，回流中心高耸的锥形透镜体，而在实验 过程中，我们发现：绝大部分情况，回流的淤积的形状是靠近下壁有一条冲沟， 在冲沟旁为一个高的条形淤积体，而淤积最高点的位置与回流中心也不一致，如 下图所示： 图4 1 挖入式港池淤积地形图 在地形上，理论和实验结果的差别，这一点无法用挖入式港池平面回流的水 流结构进行合理的解释，只能从三维结构的角度进行分析。因此，研究挖入式港 池回流的三维结构，不仅在理论上有重要意义，同时在实际生产中对指导挖入式 港池的减淤、排淤也有重要价值。但是一直以来，由于实验手段以及实验设备方 面的原因，对挖入式港池回流进行三维研究还停留在理论阶段。由于现代量测技 术的迅猛发展，p 测速技术的日益成熟，以及各种流场分析软件的开发，挖入 式港池回流三维结构的试验研究成为可能。 4 1 挖入式港池回流三维结构的机理和特性 河海大学工程硕士学位论文 为了简化边界条件，同时又与实际港池的形状类似，可以把挖入式港池概化 为一个长方体，长方体的一个面与主流相接，即挖入式港池的口门断面，港池底 面和自由水面为相对的两个面，其他三个面则为下壁，后壁和上壁。在平面回流 充分发育的港池中，一般港池轴线方向的尺寸要大于其他两个方向。 根据边界层理论，水是具有粘性的液体，如果靠近边界层的外流中存在使流 动加速或者减速的压力差，则这些压力差也将影响到边界层内的流动，当压力在 流动方向增加而出现逆压梯度时，主流就会与边界发生分离。在挖入式港池中， 当主流流经港池口门断面时，主流的过水面积突然扩大，流速会突然减小，根据 伯努利方程，沿流动方向的压力必然迅速增大，于是会出现逆压梯度，主流必然 与港池边壁发生分离、迅速被推往港池下壁，水流沿港池的下壁向港池内部，最 后水流被推移出港池口门，最终形成挖入式港池回流。因此水流与边界的分离是 引起挖入式港池产生回流和维持回流的直接原因。 水流进入港池后，挖入式港池内回流区域的水体水位上升，特别在靠近下壁 附近，由于惯性的作用，水流的流速较大，进入的水体在周围水体的减速作用 下，水位迅速抬高，因此形成挖入式港池的横向重力差，为维持港池内水体的平 衡，在进入港池内的水流表面会形成向港池上壁的横向流速，同时在港池底部会 对表面的流量进行补偿，形成与表面逆向的流速，在进入的水体中形成了以前进 方向为轴的横向环流，因此在进入港池的水体中就形成了螺旋流( 类似弯道水 流) ，当水流做曲线运动时，必然产生指向港池四周的离心力，水流为了平衡这 个离心力，通过调整，使得四周的水位增高，港池中心的水位降低，形成横向水 面比降，如图4 2 所示。 图4 2 回流垂向流动示意图 河海大学工程硕士学位论文 而当水体进入港池后，港池内的水体的水位要高于主流水体水位，从而引起 港池纵向的重力差，使得港池内侧水体沿港池上壁向港池口门运动，形成港池内 的重力补偿流，由于进入的水体和重力补偿流的共同作用，港池内的回流得以维 持。港池内的重力补偿流在进入水体切应力的作用下，也会产生横向的环流，补 偿流的横向环流强度要弱于进入水流的横向环流强度。补偿流的横向环流在补偿 流的作用下，形成与进入水流螺旋流逆向的螺旋流。而在主回流的作用下，港池 内部会产生次生环流，次生回流的结构与主回流相似。港池内的水流结构，在平 面上是主回流和次生回流结构；在港池轴线的纵断面方向上，回流中心下游，是 进入水流和内部次生回流结构，回流中心上游是补偿流和内部次生回流结构：而 在港池轴线的横断面方向上，在回流中心附近，是两个相对的运动方向相反的横 向环流结构，在靠近回流边界附近，是两个独立的环流加两个环流之间的单向水 流结构。因此，整个港池内的水流结构是一个复杂的三维立体结构( 如图1 1 及 图1 2 所示) 4 2 各因素对挖入式港池回流三维结构的影响 4 2 1 水流因素对挖入式港池回流三维结构的影响 回流的三维结构尺度和主流的水文条件和边界条件密切相关。影响回流三维 结构的主要因素有港池的平面尺度、港池轴线方向与主流的交角、主流的流速、 港池水深等等。在港池长度足够长的条件下，回流的宽度充满整个港池口门的情 况下，试验表明：从平面上来看，影响回流尺度最大的因素就是港池轴线方向与 主流的交角和港池口门的宽度，而其他因素的影响相对比较小。但是由于试验条 件的限制，本文没有对不同交角和不同宽度的港池进行对比试验，因此只能对比 不同水深条件和不同主流流速条件下的港池回流的三维结构，结构的形状和尺寸 主要通过流场图来表现。 4 2 1 1 水深对回流结构的影响 在回流的三维结构中，不同的水深条件对回流结构有一定的影响。图4 3 、 图4 4 是两种不同水深条件下，y y 截面的流场图：图4 ，5 ，图4 6 是两种不同水 深条件下，x x 截面的流场图；图4 7 ，图4 8 是两种不同水深条件下，z z 截面的 流场图。 河海大学工程硕士学位论文 图4 3 水深1 0 c m 的y 方向截面图 吲竺蚓竺l 型磐一签l 兰纠 蚓兰爿划 i ：卜l ：i1 1 图4 4 水深2 0 c m 的y 方向截面图 从图4 3 和图4 4 可以看出在挖入式港池回流的结构中，在y 方向上的横向回 流结构随水深发生变化，在水深较小的情况下，在水深方向上只出现个横向的 回流，而在水深较大的情况时会出现一对横向的回流。但是由于横向的流速不 河海大学工程硕士学位论文 大，横向水流的挟沙能力不大，对港池淤积的贡献较小，因此在y 方向上，水流 结构的变化对港池的淤积并无较大影响。 惶：ix 一撕一主：。一“l 隋i 丁_ 压i ；五i1 【! ! l1 1 。“：二i 图4 5 水深1 5 c m 的x 方向截面图 匪圜i 喜忑1 匿工三二匿j 薹兰；二 图4 6 水深2 0 c m 的x 方向截面图 从图4 5 和图4 6 可以看出在挖入式港池回流的水流结构由与港池轴线平行 的纵向流速以及次生回流两部分组成。从两幅图都可以观察到主回流的回流长度 在水面最长，而在水底最短，基本呈线性趋势减小，这是横向环流影响的原因。 这与从机理上分析，面流向边界扩张，而底流向回流中心收缩的结果相一致。 河海大学工程硕士学位论文 图4 7 和图4 8 是不同水深条件下，同一相对水深位置的z 方向的流场图。 由图可知，不同的水深条件对主回流尺度的影响较小，回流结构也基本保持稳 定。 4 2 1 2 主流流速对回流结构的影响 主流流速对回流的三维结构有一定的影响，图4 9 ，图4 1 0 和图4 1 1 是三个不 同主流流速条件下，同一断面的z 方向的流场图。 匿正三卫薹l 生 1 i ；竺! i 】兰1 图4 9 主流为3 0 c m s 的z 方向的流场图 河海大学工程硕士学位论文 、一、一- 、一一一。+ 一一一- 一一一一一一 。-一- - 、 一一一、- 一一一一一一， 、一- 、一一一， - 一一， 匡豇二竺冀l l 堕j i i ；c - 【：i l j 图4 1 l 主流为5 0 c m s 的z 方向的流场图 对比图4 9 ，图4 1 0 和图4 1 l 可以看出，在主流流速加大的条件下，回流的 范围会随流速的加大而扩大，回流的强度也会随流速的加大而加大。流速加大， 水流的挟沙能力加强，泥沙在港池内落淤比较困难，但是又由于水流的挟沙量增 加，因此港池内的淤积情况与主流流速之间不存在简单的线性关系。 4 2 2 船舶对挖入式港池回流三维结构的影响 船舶停靠在挖入式港池内，对港池水流结构有一定的影响。船舶在空间上缩 小了港池的尺度，图4 1 2 为有船舶停靠的港池的立面照片，图4 1 3 为有船舶停 靠的港池的正面照片。 河海大学工程硕士学位论文 图4 1 2 有船停靠的挖入式港池立面 图4 1 3 有船停靠的挖入式港池正面 河海大学工程硕士学位论文 船舶使进入港池的水流结构受到约束，回流不能充分的发育。因此在三维结 构上，有船舶的挖入式港池与无船舶的挖入式港池存在一定的差异，图4 1 4 ，图 4 1 5 和图4 1 6 选取了有船停靠挖入式内部流场中三个不同方向的截面。 f 里业! j 主薹b ：尘i 幢；l 竺l 登l - ! 兰兰 图4 1 4 有船挖入式港池x 方向流场图 盥止兰箧b ! ：i 僳婆卜m 【簖| 幽f 图4 ，1 5 有船挖入式港浊y 方向流场图 河海大学工程硕士学位论文 l 翌扯三i i ：匕! ：! i l i ：卜- l 茬着| 【 图4 1 6 有船挖入式港池z 方向流场图 从以上三图可以看出，有船的挖入式港池与无船的挖入式港池相比，在船舶 可影响的范围内，回流的形状和结构都发生了一定的变化，但是底部的z 方向的 流场不受船舶的影响，流场的变化不大，回流中心的位置和回流的形状变化都不 是很大，因此，在淤积的表现上，有船挖入式港池和无船挖入式港池基本相同。 4 3 本章小结 挖入式港池回流是典型的三维水流，通过二维流场试验所得到的研究成果 很大程度上并不能反映回流结构的真实情况，因此，研究挖入式港池回流的三维 结构，不仅在理论上有重要意义，同时在实际生产中也有重要价值。本章中利用 了基于粒子图像测试技术( p a n i c l ei m a g ev 色l o c i m e 仃y ，p ) 的粒子图像测速仪 试验系统进行了一系列试验，获得了主流流速、港池水深等对回流区三维结构影 响的多幅流场图。试验研究成果表明：在不同水深条件下，在挖入式港池回流的 三维结构中，在x 方向上水流结构随水深的变化较小，主回流的回流长度在水面 最大，水底最小，大概呈线性趋势减小。在y 方向上的横向回流结构随水深发生 较大的变化，但是由于横向流速小，对港池淤积的影响较小，因此在y 方向上， 水流结构的变化对港池的淤积并无较大影响。同一相对水深位置的z 方向的流场 图表明：不同的水深条件对主回流尺度的影响较小，回流结构也基本保持稳定。 河海大学工程硕士学位论文 第五章、结论与展望 5 1 结论 本文在总结了多年来对挖入式港池回流和淤积的理论研究和试验成果的基础 上，采用物理概化模型试验的方法，来研究挖入式港池回流的平面问题和三维问 题，通过对水流结构的研究来预测港池内的淤积趋势，对挖入式港池的平面布置 和防淤、减淤工作，提出合理化建议。论文的主要结论如下： l 、对回流形成的机理以及各种不同因素对挖入式港池内平面回流强度的影 响进行分析，可从能量的角度进行。比从紊动切应力方面解释，更具说服力，物 理现象更明显，物理量的量测更直观，能更好的说明挖入式港池回流在各因素影 响下的实际特性。 2 、在调查研究及前人研究的基础上，提出了在水槽中进行了系列概化物理 模型试验的研究方法，按照平面二维概化模型和平面三维概化模型两种不同的途 径，分别设计了不同港池口门宽度、不同角度、不同主流流速对回流流场影响的 对比试验的试验方案，充分利用现代化的流场测试技术，采用基于颗粒跟踪技术 的流场实时测量系统( v d m s ) 进行回流平面流场的实时测量以及粒子成像测速 仪( p i v ) 进行回流三维结构的测量。对回流的内部结构、回流的机理以及影响 回流的各种因素有了较系统的了解。 3 、平面概化物理模型试验结果表明，挖入式港池的纵轴线足够长且主流流 速较大时，港池内存在着邻近港池口门的第一回流和由第一回流带动港池深处静 止水体而形成的方向相反、流速与范围更小的次生回流。回流平面形态、回流范 围的主要控制因素是港池尺度尤其是港池宽度以及港池轴线与主流流向的交角。 回流的平面形态近似为椭圆，椭圆形的长轴与短轴之比基本不随口门宽度、主流 流速和港池水深而变化，主要受港池轴线与纵向主流流向的交角以及港池宽度的 f 生1 ：o 0 0 6 9 目 影响。回流长宽比随交角变化的经验公式为 lb 。回流中流速的大 小沿垂线分布相对均匀，主流流速、港池水深以及港池轴线与主流的交角的变化 基本上不影响横断面流速沿垂线分布规律。因此，在进行挖入式港池布置时，从 减小回流淤积范围的角度考虑，应尽可能减小港池宽度，同时港池轴线与主流流 向的交角以小于9 0 。为宜。 4 、若用回流的横断面平均流速表示回流的强度，则回流的强度的主要影响 河海大学工程硕士学位论文 沙淤积计算方法。因此，由于挖入式港池及类似工程的回流结构的三维性和复杂 性，要实现对挖入式港池回流全方位的了解，数值模拟是解决这一问题的较好方 法，数值模拟，特别是三维数值模拟和动态演示应该成为挖入式港池回流研究的 一个发展趋势。 2 、挖入式港池普遍存在淤积现象，但是由于水流泥沙条件复杂，影响的因 素较多，要正确的预计此类泥沙淤积情况，往往比较复杂。港池淤积主要表现为 回流淤积和异重流淤积，回流淤积是挖入式港池最为普遍的淤积形式，是超过回 流饱和挟沙力的泥沙落淤下来的结果。挖入式港池淤积特性与回流的运动特点息 息相关，由于回流的饱和挟沙力远小于主流的挟沙力，因此港池内大部分淤积来 自于回流淤积。港池口门宽度、港池轴线与主流流向的交角、主流流速、主流含 沙量变化等因素对港池淤积均有显著的影响，实验条件允许的情况下，应采用现 场调查、清水试验、浑水试验相互验证的研究方法，增加局部动床及加沙试验， 开展挖入式港池淤积的专题研究，探讨各种因素作用下港池沿程淤积厚度分布、 港池沿程含沙量的变化规律等。 3 、由于测量手段的不断更新，对三维流场的要素测量已经成为可能，在硬件 上目前可实现图像的选择和采集，但在软件上，对采集的图像进行处理的方面还 有待进一步的加强。 4 、在本次实验中，由于时间的原因，只考虑了影响三维水流的三个因素，角 度，口门宽度等因素未能考虑进去，建议在以后的实验中考虑上述因素。 5 8 河海大学工程硕士学位论文 致谢 本文是在导师严忠民教授和刘晓平教授的悉心指导下完成的。在工程硕士学 习期间导师对学生谆谆教诲，为本文倾注了大量心血。导师严谨的治学态度、渊 博的学术知识、诲人不倦的责任心、高度的敬业精神、谦虚随和的学者风范深深 地感染了我，并将使学生终生受益。值此论文完成之际，谨向两位尊敬的导师及 其家人表示最诚挚的谢意! 衷心感谢研究生院、水环院、水利水电学院的领导和各位老师在各个方面对 我的教诲和关怀。 感谢汤立群教授、郝振纯教授、董增川教授、季莉老师、华西老师对学生在 校学习期间给予的关心和指导。 感谢长沙理工大学河海工程学院韩理安教授、赵利平教授、沈小雄副教授， 韩时琳副教授及河海实验中心全体同仁在我学习期间给予的理解和无私的帮助， 感谢刘虎英硕士、沈浩硕士和连石水硕士在论文试验中给予的帮助。 特别要感谢河港工程总体设计