（水力学及河流动力学专业论文）高水头船闸水流三维数值模拟研究.pdf

摘要 随着水电梯级开发建设速度加快，具有高水头的高坝枢纽不断出现，在西部 规划和待建的船闸大部分都具有高水头的特点。船闸水头的增加使得闸室内水流 紊动加剧，船舶停泊条件恶化，这直接影响到船闸本身运行的安全性和经济性， 也关系到整个航路的安全顺畅。因此船闸水流的研究对船闸工程建设具有重要的 实际意义。以往对船闸水流的研究主要依赖于物理模型试验，由于船闸水流结构 十分复杂，常规物理模型观测信息量有限，很难详细探明闸室流场内部的水流运 动。数值模拟则能弥补物理模型测试手段的不足，提供大而丰富的信息量，能得 到船闸内部详细的流场水力特性，为研究船闸水力学和工程设计提供有力的科学 依据。 本研究采用国际上先进的紊流计算软件f l u e n t ，选用水气两相流的v o f 模型 追踪模拟自由表面，采用r n g 七- s 紊流模型对银盘高水头船闸水流进行三维数值 模拟，对计算成果进行分析研究，得出了如下结论： 1 通过前处理软件g a m b i t 构建复杂的船闸整体水流边界和用v o f 模型来处 理船闸闸室自由水面是较为有效的方法。 2 比较分析物理模型试验结果与数学模型计算结果得到的水力参数及其分 布，二者吻合良好，从而证实数模计算结果基本正确，是可信的。 3 通过对数模计算成果分析处理，得到了闸室内的流态、流速分布的矢量和 等值线图和闸室不同时刻水面波动图。 4 数模计算得到盖板消能工型式的耗散能分布。由于出水缝的突缩突扩和消 能盖板阻挡使得水流分散和生成旋涡，在出水缝口周缘及盖板底部出水缝项部上 方水流耗散较大。 5 数模计算结果信息量庞大，详尽的描述了船闸在运行中各时刻的水流漩涡 形态、流速分布等信息，反映了船闸的水力特性和消能过程，是物理模型的有力 补充。 关键词：高水头船闸；三维流场；紊流数值模拟；v o f 法；消能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o no fh y d r o - - e l e c t r i ca n dt h ec o m i n go ft h eh i g hd a m o fh i g hh e a d , m o s to ft h el o c k si nt h ew e s tw h i c ha r ep l a n n i n gt ob eb u i l ta n dp r o g r a m m e dh a s c h a r a c t e r i s t i co fh i g hh e a d t h er a i s i n go ft h el e v e lo fw a t e ri nt h el o c ka g g r a v a t et h ef l o w t u r b u l e n c e ，a n dw o r s e ns h i pb e r t h i n gc o n d i t i o n st h a td i r e c t l yn o to n l ya f f e c tt h es a f e t ya n dt h e e c o n o m yi nt h eo p e r a t i o no ft h el o c ki t s e l fb u ta l s ot h es e c u r i t ya n ds m o o t ho ft h ee n t i r ew a t e r w a y s oi th a sa ni m p o r t a n ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot a k et h es t u d yo fl o c kf l o wf o rt h ec o n s t r u c t i o n p r o j e c t s p r e v i o u s l y , t h el o c kf l o wm a i n l yd e p e n do nt h ep h y s i c a lm o d e lt e s t i t s d i f f i c u l tt o d e t a i l e dt h ei n t e r n a le d d ys t r u c t u r ea n di n t e n s i t yi nc h a m b e rf l o wb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t i o no ft h e l o c kf l o ws t r u c t u r ea n dt h el i m i t a t i o no fi n f o r m a t i o no b s e r v e di nt h ec o n v e n t i o n a lp h y s i c a l m o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nm a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c yo ft h ep h y s i c a lm o d e lt e s t i n g ，a n d p r o v i d eaw e a l t ho fi n f o r m a t i o n ，a n dg e td e t a i l e dh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c d so ff u l lf l o wf i e l d ，a n d p r o v i d es c i e n t i f i cp r o o ff o rs t u d yl o c kh y d r a u l i c sa n de n g i n e e r i n gd e s i g n w i t hi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt u r b u l e n tc o m p u t es o f t w a r ef l u e n t , a n dr n gk 一占t u r b u l e n t m o d e l ，t h ep a p e rm a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r3 df l o wf i e l do ny i np a nl o c ko fh i 曲h e a d ， t h e n , a n a l y z ec a r e f u l l yc o m p u t i n gf r u i t s ，s o m ec o n c l u s i o n sa r eg o t 嬲f o l l o w s ： 1 i ti sam o r ee f f e c t i v em e t h o db yu s i n gt h ep r e - t r e a t m e n ts o f t w a r eg a m b i tt ob u i l dc o m p l e x v e r g ea n du s i n g t h eh y d r o s p h e r ev o ft w o - p h a s em o d e lt ot r a c el o c kf l e es u r f a c e 2 t h ec o i n c i d e n to ft h ep h y s i c a lm o d e lt e s tr e s u l t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e h y d r a u l i cp a r a m e t e r sa n dt h e i rd i s t r i b u t i o nc a np r o v et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ne f f e c t i v e 3 t h ev e c t o rd i s t r i b u t i o nc h a r ta n dc o n t o u rc h r r to fv e l o c i t ys u r f a c ef l u c t u a t i o nc h a r ta t d i f f e r e n tt i m eo fo p e r a t i o n c a nb eg o tb ya n a l y z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 4 g e tt h ed i s s i p a t e de n e r g yd i s t r i b u t i o nc h a r to ft h ec o v e rp l a t ee n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b e c a u s et h ee f f l u e n ts l i ts u d d e nr e d u c t i o na n de n e r g yd i s s i p a t i o nc o v e r p l a t em a k i n gf l o wd e c e n t r a l i z ea n dg e n e r a t i o nv o r t e x ，a r o u n dt h ee x i to fe f f l u e n ts l i ta n db o t t o mo f t h ec o v e rp l a t eh a sl a r g e re n e r g yd i s s i p a t i o n 5 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hh l l g ea m o u n to fi n f o r m a t i o na n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o nv o r t e x f l o wi no p e r a t i o no ft h el o c k , v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n do t h e ri n f o r m a t i o nr e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h eh y d r a u l i cl o c ka n de n e r g yd i s s i p a t i o np r o c e s si sap o w e r f u lp h y s i c a lm o d e la d d e ds u p p l e m e n t k e yw o r d s ：l l i g hh e a dl o c k , 3 - df l o wf i e l d ，t u r b u l e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v o f ，e n e r g y d i s s i p a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以睨确方式标骧。本人完全意识到本声骥的法律结果毒本人承担。 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采麓影印、缩印或扫摇等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名萄鬻鹇 日期：谰年哆月多日 鸭 邮树胁 ， 锄 签 年 者 2 作 赚 如 论 ： 位 期 学 日 挑帅 如肘 毒 名 年 签 啥 磁 一 翔 教 ： 导 期 指 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 水运是现代交通运输的重要部分，也是国民经济中的重要组成部分，对国家 建设和改善人民生活及物质、文化交流都起着重要作用。随着我国国民经济的高 速发展，水运作为一种大运量、低成本、低污染的运输方式也将得到大力快速发 展。同时发展航运也是综合利用水利资源的一个重要方面，凡是为防洪、发电、 灌溉、排涝目标而修建的水利枢纽，均应充分考虑航运的需要，为保证航运通畅 和发展创造有利条件，其中最重要的是在兴建水利枢纽的同时修建符合航运要求 的通航建筑物。水利枢纽中通航建筑物是为船舶通过航道上集中水位落差而修建 的建筑物。而船闸以其技术相对成熟，运行稳定可靠，建设、运行和维护成本较 低等优点，成为过坝通航建筑物的主要型式而得到广泛应用。 中国是世界上修建通航建筑物最早的国家，到目前为止，已建成长江三峡和 葛洲坝等8 0 0 多座船闸。美国、前苏联、德国与荷兰等是世界上内河航运网发达 的国家，在这些国家的内河航运枢纽中也建有上千座船闸。国内外部分高水头船 闸见表1 1 。 随着我国西部大开发的不断深入，水利建设开发速度加快，确定在西部的重 庆、四川、云南、贵州及广西等地区建设十二个水电基地。这些水电基地包括一 大批高水头的水电枢纽，如长江三峡、澜沧江景洪、广西红水河、龙滩、乌江彭 水、右江百色等，这些枢纽工程大多数建设于通航河流上。作为水利枢纽主要通 航建筑物的船闸其工作水头达到一定等级后，由高水位差转换而来的巨大动能不 仅导致船闸阀门工作条件变坏，也使得闸室内水流紊动加剧，船舶停泊条件恶化， 影响船闸运行安全。通常，为了保证船舶停泊，在船闸设计中不得不采用复杂的 输水系统型式，同时为减少出口水流进入闸室的剩余能量，还必须采用相应的消 能工。型式复杂的消能工可能使得工程造价增高，设计、施工难度增加和运行维 护烦琐。这些都直接影响到船闸本身运行的安全性和经济性，也关系到整个航道 的安全顺畅。因此船闸水流的研究对船闸工程建设具有重要的实际意义 船闸水流的研究方法主要有物理模型实验和数值模拟两种。当前对船闸的研 究主要依靠物理模型实验，物理模型有可视、可信、可触摸的直观感觉【1 1 ，在重 大工程中，物理模型试验研究更被认为是不可缺少的环节。但是物理模型试验也 有花费大量人力物力、模型建成后也不方便修改其结构设计、而且受到比尺效应 的影响等缺点。数值模拟相比物模则具有以下优点：费用低廉，而且随着计算 第一章绪论2 机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；可实现对多种复杂物 理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如可以将 某一现象单独进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，数值 模拟所提供的信息量大而丰富。可以预见，随着科技的进步，数值模拟将成为船 闸水流的主要研究手段，促进船闸水力学的发展。 计算机技术的不断进步带动了水流数值模拟技术的快速发展。为了研究船闸 闸室的停泊条件，以便给船闸消能工设计提供科学的参考依据，需要对船闸的整 体流场进行研究。过去船闸输水系统设计多以物理模型试验为依据，不仅费时耗 物，而且受比尺效应的影响，较难反映真实的流动情况。相比之下，数值模拟能 提供详细的流场资料，便于方案比较。以往由于计算机容量和计算技术水平的限 制，研究的重点主要是在流动的一维和二维的模拟上。近年来，工程实践对数值 表1 1国内外部分高水头船闸 序 船闸名称 闸室有效尺寸 最大水头起始水深输水时间 备注 号 ( 长宽) ( m ) ( m )( m ) ( r a i n ) l 荷尔特 l8 3 0 x 3 3 52 0 74 681 9 6 9 2 达莱思 2 0 5 7 x 2 6 22 7 64 5 61 1 21 9 5 7 3 马克讷里 2 0 5 7 x 2 6 22 85 9 71 5 21 9 5 3 4 新威尔逊 1 8 3 x 3 3 53 0 54 31 3 51 9 5 9 5 下纪念碑 2 0 5 7 2 6 23 1 44 61 1 4 6 沙溪口船闸 1 3 0 x 1 22 4 22 51 1 6 7 7 东西关船闸 1 2 0 x 1 62 4 5 531 2 3 7 8 桥巩船闸 1 2 0 x 1 22 4 6 531 0 1 2 9 葛洲坝2 # 船闸 2 8 0 0 x 3 4 02 75 1 0 草街船闸 1 8 0 x 2 32 6 53 51 5 在建 l l 银盘船闸1 2 0 x 1 23 6 53 01 0 设计中 模拟提出了越来越高的要求，进行紊流场的三维数值模拟已势在必行。另外，计 算计算技术的发展为进行三维数值模拟提供了可能性。本研究结合乌江银盘高水 头船闸来进行船闸的整体三维数值模拟，获取船闸灌泄水过程闸室内部详细的流 场信息，消能工附近的能量耗散分布图以及闸室在不同时刻的水面波动等，为将 来的高水头船闸的设计研究提供可借鉴的资料。 第一章绪论 3 1 2 国内外研究动态及发展现状 1 2 1 船闸物理模型的研究现状 水利建设带动了船闸研究的发展，船闸作为主要的一种通航建筑物，在世界 各地的水利水运工程中得到广泛的应用。船闸水力学问题是船闸工程建设中的关 键技术问题，解决得好坏直接关系到船闸工程的成败。对于中、低水头船闸，国 内外均已积累了丰富的设计和运用经验，可以凭借经验或参照已有的工程来进行 设计。但对于大型的重要船闸或水头较高的船闸的输水系统，特别对于分散输水 系统，一般都应通过水力模型试验以核定闸室灌、泄水设施的水流情况及停泊条 件，虽然船闸水力试验中模型相似的问题尚未完全解决，但目前模型试验仍然是 船闸输水系统设计的一项重要手段。 新中国为适应水利建设和船闸建设的需要，许多科研基地如南京水利科学研 究院、天津水运工程科学研究所、河海大学、重庆交通大学等为解决船闸的实际 工程技术问题进行了许多极有价值的试验研究，为发展我国的船闸基础理论和设 计方法作出了贡献。我国在1 9 8 7 年试行了第一部船闸设计规范，并出版了一些专 著、总结和文献【2 】。在物理模型方面，我国葛洲坝2 号高水头船闸【3 】首次采用了闸 室底部纵横支廊道输水系统；葛洲坝1 号船剐4 】所采用的等惯性八支管闸室底部廊 道输水系统中，首次采用了第二级立交分流口型式：三峡连续五级高水头船闸【5 】 输水系统亦采用了类似葛洲坝1 号船闸的型式，在第二级分流口布置方面作了改 进；广西昭平船剐6 】输水系统采用了槛下分散输水型式；福建水口与沙溪口，浙江 七里垅、湖南五强溪和江西万安等船| i 1 司【。卜9 】的输水系统均采用了闸室底部长廊道的 输水型式。近年来，南科院在非恒定流条件下，利用遥控自航船模研究上下游引 航道的通航水流条件，研制和开发了计算机实时仿真船舶模拟器，利用该模拟器 进行通航水利枢纽布置、内河航道以及船舶航行条件的研究。这此研究都促进了 我国船闸水力学的进一步发展。自上世纪8 0 年代以来，随着我国一些高水头船闸 的建成，特别是三峡五级船闸的修建，我国船闸水力学的研究水平已步入了世界 前列。 在国外，前苏联学者e 且卡洽诺夫斯基的“船闸水力学”【1 0 】和比利时列日大 学教授n m 德乌斯的“通航船闸”【l ，对船闸的输水系统进行了较为全面的闸述； 美国w e s 也编制了有关船闸水力学设计准则；在前苏联，着重从工程投资的角度 来考虑，认为水头超过2 0 m 时，考虑采用分散输水系统。 随着科学技术的进步，船闸实验研究中自动控制和计算机的引入，使得量测 精度也越来越高。此外现代流体量测技术的发展极大地促进了实验船闸水力学的 发展，激光流速仪( l d v ) 、粒子图像测速技术( p i v ) 、多普勒超声速流速仪( a d v ) 、 第一章绪论4 动态信号分析仪等高端测量仪器的出现，使从前无法获得的复杂流场信息得以基 本展现。 1 2 2 船闸数模的研究现状 随着科学技术的进步，船闸水力学发生了很大的变化。现代船闸水力学是古 典水力与流体力学理论相结合，并在计算技术和新型量测技术的基础上发展起来 的。理论研究、实验研究和数值模拟计算已成为现代船闸水力学的三大基本研究 手段。如果能够找到适合船闸水流紊流规律的非线性数值模拟，那么我们就可以 较有效的模拟船闸中的复杂紊流，数值计算结果以形象的图形输出，实现灵活地 修改模型或原型的形状和参数，方便地进行系列数值试验或不同的方案比较，为 各种过水、泄水建筑物消能工的方案选择和设计提供足够精细和准确的数据，有 助于数学模型逐步地或部分地取代费时耗物的物理模型试验。 在国内，南京水利科学研究院开发和应用了多种船闸输水系统非恒定流数学 模型，如连续多级船闸补溢水数学模型【1 2 】、带调节水池船闸水力计算数学模型【1 3 】、 考虑水弹性影响的输水系统非恒定流数学模型【1 4 】、复杂分散输水系统数学模型【1 5 】 和船闸人字门动水阻力数学模型【1 6 】等。南京水利科学研究院的郑楚佩 1 7 - 1 8 】曾对三 峡船闸输水系统进行一维数值计算。在计算中考虑了水流的惯性影响，同时反映 了系统总阻力的影响，计算结果给出流量及闸室水位的时变过程。武汉大学的杨 屹松 1 9 1 采用k - e 双方程模型对三峡船闸充水系统阀门段的流动情况进行了二维数 值模拟，计算结果给出了阀门相对开度e = 0 6 时恒定流条件下阀门段廊道内的流速 场和廊道边壁的压强水头分布，同时比较了门后不同廊道体型【2 0 2 1 】对流态和压力 的影响。 在国外的研究中，美国陆军工程兵团水道试验站( w e s ) 1 9 7 5 年提出了预测 校正法【2 2 1 ，w e s 根据这一方法开发了h 5 3 2 0 水力计算程序。此外，巴西 c e a l m e d i a 和比利时列日大学都对分散输水系统数学模型进行了研究【2 3 1 。荷兰的 j o n gr j 2 4 】研究了闸门上开小门的集中输水系统输水时闸室内船舶所受纵向力 的数学及简单的水力学模型。这些数学模型对确定船闸输水过程中的总流量、闸 室水位和输水时间等水力特征值以及消能工的合理布置是非常有效的，并且在许 多船闸工程中得到广泛应用。 2 0 世纪7 0 年代初期，l e e n d e r t s e 等首先提出数值计算三维水流的分层方法， 以后出现了一些简化的三维模型【2 5 1 。但是，由于三维问题本身的复杂性和计算机 能力的限制，直到2 0 世纪7 0 年代末期，三维模型才真正得以发展【2 6 1 。计算机技 术的迅速发展为整个科学技术的进步提供了强有力的工具，计算机与数值分方法 结合使科学技术的发展如虎添翼。另一方面，由计算气动力学发展而来的各种格 第一章绪论 5 式和方法同样被迅速借鉴到水力学计算中来。目前的流场数值模拟已能算出水流 内部任一的所有流动参数，可以把握流场内各时刻流动情景的流场概念，为探讨 复杂流动现象的内部机理开辟了新天地。在技术手段上由传统的经验公式和经验 系数的方法转变为精确的数学模型和数值模拟的方法。随着计算机功能的不断完 善与提高，水力学与计算技术的有机结合将极大的增强解决疑难问题的能力。水 力学模型的进步、流场可视化技术的发展以及水力信息学的普及应用都是这方面 的体现。如河海大学的戴会超采用双方程紊流模型【2 7 】数值模拟了三峡工程永久船 闸阀门启闭过程中，门井段流场的动态变化过程，并对数值模拟进行了动态演示。 他将数值模拟结果与物理模型试验结果进行了对比，表明了该数学模型可以较高 精度地模拟出阀门井段流场，获得各节点的水力学参数如流速及水头值。还有重 庆交通大学在银盘超高水头船闸的消能工型式和消能效果的对比研究瞄】中，利用 了三维数学模型来模拟船闸局部水流的流场详细信息，通过得到的三维数学模型 计算成果，分析了两种消能工型式的消能效果。这些研究都在船闸的灌、泄水方 案制定过程中，起到辅助决策作用。 1 2 3 紊流数值模拟技术的发展概况 长期以来，复杂紊流场的研究均以物理模型试验为主要手段，但物理模型试 验不能全面反映真实的流动特性。相比之下，数值模拟具有花费少、适应力强、 提供流场资料详细、速度快、便于进行多方案的比较优选等优点，因而愈来愈受 到人们的重视。一些发达国家的著名研究机构已由过去的以物理模型试验为主要 研究手段，逐渐转化为数模物模并重或以数值模拟为主要研究手段，如荷兰的d e l g t 水力学实验室、加拿大的a d v a n c e ds c i e n t i f i cc o m p u t i n gl t d 等均在数值模拟及其 成果可视化方面取得了较好的成果【2 9 1 。然而，在过去很长一段时间内，我国计算 水力学的研究仍以传统的水力学方法为主，应用较早的数学模型是不考虑流体黏 性的势流模型，但势流模型不能满足对各类复杂紊流场进行精细模拟的要求。随 着计算机技术及数值模拟技术的快速发展，各种紊流模型及其数值计算方法应运 而生，并在工程实践中得到应用，取得了一些有价值的成果，但其有效地解决工 程实际问题的能力还需进一步提高。 在以往的研究中，通过类比、假设以及忽略次要因素，多采用一维或二维数 学模型模拟真实流体，并在实际应用中取得一定的效果。但自然界的流体运动的 三维性尤为突出，一、二维数学模型就难以保证相应的准确度。随着工程技术的 不断提高，迫切需要更接近于实际情况的三维流体数值模拟方法。目前，三维流 体计算已经取得了一定的进展，准三维，拟三维及二、三维嵌套数学模型也得到 了一定的应用。但这些问题的数值模拟方法至今仍很不完善，其计算格式的优化， 第一章绪论6 边界条件的处理，都有很多需要深入研究的课题。 由于自然界的流动大多属于紊流，而紊流又是一种高度复杂的随机、非定常、 三维的有旋流动，紊流中流体的各种物理参数如速度、压力、温度、动量等时间 与空间发生随机变化，使得求解异常复杂。自从雷诺1 8 8 3 年发现紊流现象以来， “1 0 0 多年来的艰苦努力仍然没有能够攻克这一顽固堡垒，至今仍然看不到解决的 前景”【3 0 1 。但是为了解决工程中遇到的紊流的问题，人们仍然不得不面对这一难题。 一般无论紊流多么复杂，n a v i e r - s t o k e s 方程仍然是适用的。尽管这并未得到严格的 证明，但近百年的紊流研究的实践表明，这种假设与实际情况并未发生矛盾。因 此，除理论工作者仍在继续对紊流现象进行理论分析外，计算流体力学工作者也 可利用n a v i e r - s t o k s 方程的数值模拟来解决工程实际问题，并已取得相当多的成 果。紊流数值模拟大致分为三类：紊流的直接数值模拟、大涡模拟、雷诺时均方 程法。 ( 1 ) 直接模拟 直接数值模拟( d n s ：d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 是采用非定常的全 n a v i e r - s t o k s 方程对紊态流场直接进行数值计算的方法。这种方法可能会得到除分 析解外最为精确的数值解。这种方法自1 9 7 2 年o r s z a g 3 1 】提出以来发展较快。我国 的孟庆国( 1 9 9 5 年) 1 3 2 】用谱方法对方腔中的旋涡运动、许春晓( 1 9 9 5 年) 【3 3 1 对槽 道湍流进行了直接数值模拟。但直接模拟方法要求巨量的计算网格使得目前的技 术能力尚难满足实际工程应用的需要。目前只有少数拥有超级计算机的研究中心 才能对低雷诺数、简单边界条件、已知系数的初始统计性质的紊流进行直接数值 模拟的探索。 ( 2 ) 大涡模拟 大涡模拟( l e s ：l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 的基本思想是认为紊流是由许多大 小不同的旋涡组成的，大旋涡对主流的运动有比较明显的影响，小旋涡则通过非 线性作用对大尺度运动产生影响。大涡的作用是完成质量、动量、热量等参量的 交换，小涡的作用表现为参量的粘性耗散。它最早由气象学家s m a g o r i n s k y 3 4 】于 1 9 6 3 年提出，大涡模拟只通过n s 方程直接模拟大于某尺度涡的运动，这个尺度 通常是离散网格的尺度，而对于小于这个尺度的涡用模型来同大尺度的涡建立联 系。建立合理的的亚格子尺度( s g s ：s u b g r i ds e r e ) 模型是l e s 方法的关键，其 中应用最为广泛的是经典的s m a g o r i n s k y 涡粘性模型。 d e a r d o r f f ( 1 9 7 0 年) 【3 5 】第一次将l e s 用于模拟三维渠道流动，取得了与实验 一致的结果。m o i n ( 1 9 8 2 年) 等【3 6 】又用加密的网格重新计算了该问题。我国苏铭 德最早开始l e s 研究，1 9 8 6 年提出了用于大涡模拟的代数模型，把大涡模拟方法 用于弯曲槽道( 1 9 8 9 ) 【3 7 1 、平直槽道( 1 9 9 0 ) 【3 8 1 、直方管和弯方管( 1 9 9 4 ) 3 9 1 内 第一章绪论 7 湍流流动模拟； ( 3 ) 雷诺时均法 目前工程应用中最为普遍的方法是采用雷诺时均的n a v i c r - s t o k e s 方程法 ( 黜埘s ) ，时均之后的n s 方程不封闭，就要求辅以各种紊流模型来封闭，包 括了涡黏模型( o 方程模型，l 方程模型，双方程模型) 和雷诺应力模型( 雷诺应 力方程模型，代数应力模型) 4 0 - 4 2 等。 目前应用最广泛并经过充分验证的是基于b o u s s i n e s q 假设的紊流粘性系数法 导出的缸两方程模型，杨永全、许唯临、廖华胜、戴光清等人首先将该模型应用 到泄洪消能工程中，如二滩、小湾、溪洛渡、拉西瓦等大型水电站泄洪消能设计 中【4 6 1 。在紊流数值模拟方面，三维大涡模拟方法进入了实用阶段，但要在微机 上实现仍然有相当的难度。直接模拟成为紊流结构理论研究的重要工具。精度较 好的紊流模式研究会持续发展，如实用的r e y n o l d s 应力模型与r n g 重正化群模型。 在迭代技术上，f f t 与多级网格法的结合、各种特色的p c g 方法以及各种大型稀 疏矩阵技术会得到更多发展【2 8 1 。近些年技术产品商品化有较大发展，出现了如 c f x 、f i d a p 、f l u e n t 、p h o e n i c s 、s t a r c d 等商业软件。 1 3 本文的研究内容和方法 1 3 1 研究方法 本研究结合银盘高水头船闸分散输水系统的特点，采用物理模型实验和数值 模拟相结合进行综合研究。物理实验揭示流动结构的基本规律和物理机制，实验 结果可用以验证数模计算结果；采用r n g 七一紊流数学模型和对复杂自由表面模 拟较理想的水气两相流v o f 模型来模拟船闸运行的非恒定水流流动，从而获得船 闸运行中的水力学参数。该研究基于现代紊流理论和现代数值计算方法，探寻适 合船闸输水系统和闸室内水流流动规律的数值模型，以期获得船闸水力计算数值 模拟的实用方法，为解决工程实际问题提供科学依据。 1 3 2 主要研究内容 利用f l u e n t 软件进行闸室内水流流动模拟计算。通过g a m b i t 进行流 动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成。再利用f l u e n t 求解器对流 动区域进行求解计算。对闸室内的消能工和阀门附近段紊流场模拟采用r n gi ( - 8 两方程紊流模型，用水气两相流的v o f 模型来模拟闸室的曲线自由水面。 通过物理模型实验的测试结果与相应的数学模型计算得到的水力参数及 流场分布成果对比分析，验证数学模型，并进一步优化完善数学模型。 通过数模计算的结果，获得船闸运行各个时刻闸室内水流流速场，得到详 第一章绪论8 尽的闸室内水流衰减过程、漩涡形态、水流紊动强度及其分布，反映闸室内的水 力特性及消能工型式的消能过程。 分析处理数模的计算的结果，得到闸室在灌泄水的不同时刻的水面波动以 及船闸阀门段廊道的流场图，得出突扩阀门段易空化区域等信息。 1 4 主要创新点 首次对船闸闸室非恒定水流全过程进行三维数值模拟，构建了复杂的整体船 闸水流数学模型的计算网格域。提出了适合高水头船闸高速水流的紊流模型及模 拟方法。包括三维复杂边界的数学模型，解决具有自由表面的船闸水流流动问题 的水气两相流的数学模型以及控制方程的数值处理方法。船闸输水系统的过流边 界，盖板消能工结构，以及水流流动均较复杂，应用上述方法，通过数值模拟得 到船闸输水系统各处的流速矢量分布，流态和水面波动等水力信息，以及消能工 和阀门段等处的紊动能和紊动耗散率的分布规律，弥补了物理模型试验的不足， 为高水头船闸输水系统及消能工的设计和优化提供科学依据。 第二章物理模型试验 9 第二章物理模型试验 2 1 基本资料 银盘水电站正常蓄水位为2 1 5 o m 。银盘船闸为枢纽的主要通航建筑物，采用 单线单级布置，通航级别为级。主要由上游引航道、船闸本体段( 上闸首、闸 室和下闸首) 、下游引航道组成，船闸尺度为：1 2 0 0 m x l 2 o m x 3 o m ( 长宽门槛 水深) ，最大水头3 6 4 6 m ，要求输水时间小于1 2 m i n 。 上、下游特征水位 上游最高通航水位：2 1 5 o o m ，上游最低通航水位：2 11 5 0 m ； 下游最高通航水位：1 9 3 4 2 m ，下游最低通航水位：1 7 8 5 4 m 。 设计船型、船队尺度。 驳船吨级：5 0 0 t 。 船型尺度( 总长型宽x 设计吃水) ：4 5 o m x l o 8 m x l 6 m 。 船队( 项推船队) 尺度( 长宽吃水) ：1 0 9 o m x l o 8 m x l 6 m 。 2 2 模型设计与制作 船闸输水系统水力学物理模型比尺需要考虑到下列情况： ( 1 ) 重力相似：船闸输水系统的整体模型试验一般按重力相似准则设计，因 为船闸在输水过程中，水流的运动是重力起主要作用，所以用弗汝德重力相似准 则计算模型和原体各物理量的关系，通常在比尺为2 5 - 4 0 的模型上进行； ( 2 ) 糙率因素：模型输水廊道用聚乙稀塑料板和有机玻璃制造，其糙率为 0 0 0 8 6 ，按1 ：2 0 , - - , 1 ：3 0 的比尺，换算成原型的糙率为0 0 1 4 1 - - - ，0 0 1 5 2 ，而原型混凝 土廊道的糙率系数一般为0 0 1 3 - 4 ) 0 1 4 ，即只有在1 ：2 0 比尺左右，糙率才与原型基 本相似。 综合考虑上述两因素，确定模型比尺采用1 ：2 5 ，模型糙率换算成原型的糙率 为0 1 4 7 ，即模型糙率大于原型，因为模型实测的水力特征试验值较原型值小，原 模之间存在一定的缩尺影响。 根据试验要求，船闸输水水力学模型按重力相似设计，比尺为l = 2 5 。模型与 原型各物理量的换算关系如下： 长度：l ，- - 2 5 时间：z = 蟛= 5 流速：圪= 髟= 5 流量：q ，= 髟= 3 1 2 5 第二章物理模型试验1 0 压力水柱：e = l ，= 2 5 。 模型范围包括：上游引航道2 5 o m ，上闸首、闸室和输水系统( 进水口、闸墙 主廊道、分流口、闸室出水廊道、出水口以及充泄水阀门段) 、下闸首和下游引航 道6 0 o m 。 船闸和输水系统模型见照片2 1 照片2 2 。 照片2 1船闸输水系统水力学物理模型安装 照片2 2闸室出水廊道 第二章物理模型试验 2 2 1 输水系统型式布置分析 输水系统型式 根据船闸输水系统设计规范( j t j 3 0 0 0 1 ) 输水系统类型的选择公式： 7 m = 专( 2 1 ) h 式中：r 为输水时间( m i n ) ，h 为水头( m ) ，可得： l o 1 21 0 1 2 = 1 6 6 1 9 9 根据船闸设计规范，该船闸的最小m 值小于1 8 ，必须采用第三类分散输水系 统，考虑银盘船闸的具体情况，设计选择闸墙长廊道、闸底纵支廊道( 二区段出 水) 、顶支孔加消能盖板的布置作为该船闸的输水布置型式是合适的。 输水系统布置 在总结国内外已有高水头船闸输水系统的工程经验基础上，对银盘船闸输水 系统型式初步布置进行了分析研究。 输水系统总体和各部分特征尺寸汇总见表2 1 。 表2 1输水系统特征尺寸汇总表 与输水阀 序号部位描述 面积( m 2 ) 门面积比 2 也x 4 0 x 3 3 l上闸首进水口 上游正面闸墙垂直2 支孔进水 4 6 2 = 5 2 8 两侧主廊道阀门顶高程1 6 7 5 0 m ，淹 没水深1 1 0 4 m ，阀门后采用突扩廊道体型 2输水阀门段廊道2 2 2 2 6 = 1 1 4 41 0 0 后，突扩廊道体型尺寸采用：1 9 0m 8 3 加 ( 长高) ，底高程1 6 3 4 m 。 闸墙廊道底高程为1 6 8 4 0m ( 与闸室 3闸墙长廊道2 2 2 x 3 3 - - - - - 1 4 5 21 2 7 出水支廊道相一致) ；距闸墙边7 8 m 。 垂直分流布置于闸室水体中心，断面 4 分流口适当加大，采用4 3 6 1 5 m ，底高程为4 0 6 x 1 5 = 2 1 6 1 8 9 1 6 8 4 0 m 闸室i j 水支廊道底高程为1 6 8 4 0m 5 闸室出水段廊道 2 v 3 6 3 2 = 2 3 0 42 o l ( 与闸墙廊道相一致) ，长4 4 8 8 m 。 两区段、每区段1 1 个出水孔( 共2 2 孔) ，每出水支孔3 6 0 x 0 2 0 m 。出水支孔2 1l 3 6 0 x 0 2 0 6 闸室出水支孔 1 3 8 间隔3 8 m ，每区段出水孔段廊道总长 = 1 5 8 4 4 5 8 8 m 。 闸室各出水支孔上设一消能盖板，盖 7消能盖板，| 板面积4 8 0 x1 4 0 m 2 ，盖板厚o 2 0 m 。 匝稠恬造踊蟋帐繁簿g星囊焉匦 j | t 一l l ， | ， h ； 7 一， 1 韶，i i v 一 - 一 _ _ 一 l 目 i j i i 一 1 = =i l ! i i i i i i i l _ 一 i i i i ； i j ； ，2 ii 之 鞑j v 勺i 、 i i il i i ii i j ii i i ji i i i li i i l 暑奎：l 目 i i i 舡i j ii 量 j i i i夕 3 ： i i j l i 孽 l 一 - 一 - _ 置 _- _ t l 迤多 9 昌 量： ： ；i ； 1 1 芝 i ： 暑 曼、i 墨- 静蟹副辎剐s料拣 第二章物理模型试验 1 3 2 2 2 试验条件和内容 本次试验最大设计水头为3 6 4 5 m ，闸室起始水深为3 0 m ，阀门双边开启，开门 时间和最大流量如下表2 2 。 表2 2 试验条件 原型 输水方式 开门时问( s ) 最大设计水头( m )闸室输水时间( r a i n )最大流量( s ) 输水6 0 0 03 6 4 51 0 1 12 1 0 6 0 泄水6 0 0 03 6 4 51 0 5 61 8 1 0 0 模型 输水1 2 01 4 5 82 0 2 20 0 6 7 3 9 泄水1 2 o1 4 5 82 1 1 20 0 5 7 9 2 2 3 物理模型试验结果 对于灌泄水水力特性，试验针对最大水头进行了的工况进行了研究。当最大 水头为3 6 4 5 m ( 水位组合2 1 5 o o 一1 7 8 5 5 m ) 时，测定并计算了充、泄水阀门不同 开启时间的闸室水位，流量变化曲线以及闸室的充、泄水时间。 最大设计水头时输水阀门双边开启时输水主要水力特征值见表2 3 ，典型水力 特性过程线的试验结果见图2 2 一图2 3 。 表2 3 最大设计水头闸室输水水力特征值 输水方式 t ，( m i n )删r ( n a n )q 。心| 由玩。( m ，m i n ) 充水 l3 2 9 69 2 31 9 8 8 6 9 8 泄水 l3 2 9 61 0 0 81 7 4 1 6 1 l 注：“为阀门开启时间，日为作用水头，r 为闸室输水时间，q 一为最大流量，巩坼为 闸室水面最大上升( 下降) 速度。 充泄水阀f - x 2 边开启时间“= l m i n 时，闸室的充泄水时间分别为1 0 1 l m i n 和 1 0 5 6 m i n ，此时闸室充、泄水最大流量分别为2 1 0 6 m 3 s 和1 8 1 0 m 3 s ，相应的输水 主廊道的最大平均流速分别为1 4 5 m s 和1 2 5 0 m s ，分流口最大平均流速分别为 9 7 5 m s 和8 3 8 r n s ，均符合船闸的设计运行要求。 第二章物理模型试验 1 4 2 2 5 2 1 5 旨2 0 5 掣 * 删1 9 5 厘 1 8 5 1 7 5 2 1 5 吕2 0 5 趔 * 删1 9 5 星 1 8 5 1 7 5 - ，。 l飞 闸室水位 。 j 、 7 l 、一 ? 、 _ ， 01 5 03 0 04 5 06 0 07 5 0 t ( s ) 图2 2最大水头时闸室双边水力特性