30 m宽隧洞内万吨级货船拖曳通航船周水位分布特性试验研究

通航隧洞作为穿越山体的隐蔽航道,对于隧洞通航水力条件而言,水位则是影响超限性航道通航的关键因素。为探究货船在通航隧洞内拖曳航行时船周水位变化规律及由水位变化引起的航行水力特性。建立了1:40包含隧洞及隧洞顶部船舶拖曳装置物理模型试验系统,开展了不同水深工况下5级拖曳速度物理试验,重点探讨了2倍船长范围内船前后水位变化情况、影响水位波动的因素以及船舶纵倾角度变化。研究结果表明:拖曳速度的增加导致船前水位升高和船后水位下降,但在适度拖曳速度范围内(0.5~1.5 m/s),水位变化较小,提高通航的安全性;增加隧道水深可减小船前水位升高和船后水位下降的幅度,尤其在水深6~8 m范围内,水位变化较小,改善通航条件;随着拖曳速度的增加,船舶的纵倾角度增大,而随着隧道水深的增加,纵倾角度减小,适度控制拖曳速度在水深6~8 m的范围内有助于减小船体的纵倾角度,提高通航的稳定性和安全性。研究结果可为通航隧道船舶拖曳通航关键技术提供重要的参考和借鉴。

金沙江堰塞湖溃决后淤积河段疏浚措施实验研究

2018年金沙江上游因强降雨发生大型山体滑坡形成堰塞湖,堰塞湖溃决后大量泥沙随溃坝洪水向下游输移,导致下游河道形态及水流特性突变。某规划电站尾水河段受该事件影响,床面淤积6~10 m。为保障该电站如期正常建设,针对尾水河段上下游3 km河道,开展动床物理模型试验研究,探索尾水河段设计水位恢复方案。河道演变分析表明,堰塞湖溃决后的第1年,工程河段河床单向显著冲刷;至2022年汛前,河道整体表现为上冲下淤,尤其弯道下游石滩显著生长发育。通过模型试验预测了工程河段2027年地形,届时河道床而仍较堰塞湖溃决前高1~6 m,需要采取疏浚措施才能保障规划电站尾水口水位降低至设计水位。为有效减小疏浚范围及疏浚量,详细分析了弯道下游新生石滩段的水沙特性及演变趋势,提出了下游先期局部疏浚,通过自然演变调整床面,再开展整体疏浚的整治方案。试验证明,该方案较直接疏浚方案缩短了疏浚长度,可减少约6.88万m3疏浚量。继续针对新方案开展淤积试验,由于上游电站已陆续建成使用,其拦蓄作用大幅减少了研究河段来沙量,在5个典型年的水沙作用下,研究河段床面整体保持相对稳定,仅尾水出口下游左侧呈现一定程度淤积,建议管理单位定期按需要进行必要的局部疏浚维护,以保障电站安全运行。

急弯河段新建船闸上游引航道通航条件研究

在急弯河段已建枢纽上新建船闸工程,船闸布置受限因素众多,通航条件复杂。为分析船闸引航道通航水流条件,建立袁河石洲枢纽1:80正态物理模型,开展急弯河段船闸上游引航道通航水流条件试验,对比隔流堤不同长度口门区的流速分布,同时结合自航船模试验分析船闸口门区通航条件。结果表明,延长隔流堤对减小口门区横向流速峰值、改善流态作用明显;隔流堤延长250 m时,石洲船闸上游引航道最高通航流量可达到规范要求的20 a一遇洪水。

平陆运河牛江河下底河入汇方案研究

支流与干流的交汇区水流流态复杂,而人工开挖运河存在交角大、汇入流量大的特点,对航道通航影响显著,需对支流口实施河道治理工程。针对平陆运河中牛江河、下底河支流汇入运河后入汇河段的干流通航问题,进行入汇河段水流运动特性的研究。基于RNG k-ε紊流模型,采用三维数值模拟方法模拟不同设计工况下支流入汇情况,结果表明原设计方案不满足通航条件。因此,在设计方案基础上提出调整入汇方向、扩大入汇断面的优化措施,显著改善了通航水流条件,达到规范要求。研究成果可为类似工程提供借鉴。

木京船闸输水系统进水口优化布置数值研究

船闸灌泄水时会引起闸室内水流流态不稳定,极端情况下还会扰乱自由液面流场,严重威胁船舶的停泊安全、影响船闸通航效率。受多因素影响,木京船闸目前正面临进出口水流条件恶化、闸室内往复流影响、引航道通航水流条件超标、船舶航行条件差等多重技术难题。采用RNG k-ε紊流模型对船闸输水系统进水口布置进行三维模拟,研究其水力特性、局部水流条件等,基于木京船闸输水系统进水口设计方案,详细分析讨论船闸在运行过程中的水力学关键技术问题,提出优化建议措施。结果表明:喉口宽度和布置顺序显著影响进水口水流流态,通过改变喉口宽度与间距可有效改善进水条件、稳定水流流态,改善进流不均的问题。

船闸输水系统研究及闸室消能工优化的三维数值模拟

针对木京34 m宽船闸原方案下闸室泊稳条件较差的问题,采用数值模拟的方法,进行船闸输水系统灌水的数学模型试验,研究闸室不同消能工布置形式下的水流条件和停泊条件,揭示此类输水系统闸室输水特性。结果表明,在整个输水过程内,相较于采用1道消力槛消能工形式布置的原方案,采用“明沟+消力槛”的优化方案能够使闸室内水流流速更缓、水体表面紊动强度更弱、水面最大纵比降也更小,闸室泊稳条件得以改善。

长洲五线船闸下引航道通航水流条件试验研究

近年随着长洲枢纽货运量持续高速增长,现有4线船闸已不能满足日益增长的货运量过闸要求,需修建五线船闸来满足货运量发展需求。采用整体水工模型试验的方法,研究长洲五线船闸下引航道口门区的通航水流条件,并提出下引航道通航条件的改善措施。结果表明,受长洲五线船闸下引航道口门区河床地形不衔接、外江下泄水流斜冲和下游弯道凸嘴顶托等问题,口门区存在较大横流和回流等不良流态,通航条件较差。通过采取调整口门区下游衔接段河底高程、削除下游弯道凸嘴、疏浚扩挖外江河道左岸边滩等措施,可有效改善五线船闸下引航道口门区通航水流条件,调顺船舶进出闸航线,使之满足船舶安全航行要求。

水力式升船机组合阀流量比优化研究

景洪水力式升船机阀门段采用“并列三阀+矩形突扩体”的布置形式,目前组合阀流量分配暂无科学的指导依据。以景洪水力式升船机为依托,建立阀门段三维数值模型,研究组合阀不同流量比下的阀门段流场特性。结果表明,三阀联合运行时,突扩体内流场均匀度最佳;三阀联合运行时,主辅阀流量比为31时,流场内最低压力最高、最大流速最小、紊动较弱,最有利于抑制空化;组合阀合理流量比与流量系数比正相关,景洪工程组合阀较优的主辅阀流量比约为31。

考虑阻力作用的碎石土滑坡涌浪数值模拟方法研究

滑坡涌浪是库区水灾害的风险来源之一,开展涌浪预测研究对提升航道安全,减小近岸洪水风险具有重要的工程应用价值,但滑坡体入水形成涌浪的动力过程十分复杂,目前对其进行准确模拟仍是棘手的问题。基于等效流体假设,将非均质的碎石土滑坡视为连续的特殊流体,通过自定义函数编写滑坡体沿滑动面运动的摩擦阻力程序,利用Realizable k-ε湍流模型与VOF法建立了碎石土滑坡涌浪数值模拟模型。研究结果表明:该方法可较好地模拟碎石土滑坡体水下运动与堆积形态,且获得的涌浪波幅精度较高;阻力模型中摩擦系数与内摩擦系数同滑坡体的变形速率分别成反比关系,而湍流阻力系数增大仅能减缓滑坡后缘的变形速率。研究成果可为定量评估碎石土滑坡涌浪灾害风险、制定库区涌浪灾害紧急避险预案提供参考。

阀后管道突扩对控制阀门流阻特性的影响

为准确地描述非均匀流条件下控制阀门阀后采用突扩管道后的流阻特性,针对典型控制阀门(活塞式调流阀与固定式锥形阀),采用物理模型试验与理论分析方法,基于阀后突扩管道内的流场结构及试验段压力特性,研究阀后管道突扩对典型控流调压阀门流阻特性的影响规律。结果表明,不同阀型采用相同突扩体时的流阻特性变化程度不同,阀型的影响主要体现在改变了突扩体的入流、出流条件。在规范公式的基础上,考虑阀门出流流场结构(突扩体入流条件)与水流缩脉(突扩体出流条件)的影响,分析得到管道突扩比与阀门流量系数的定量关系,规范计算值与试验值的最大差异约为8%,优化公式计算值与试验值最大差异约为1%,说明改进后的突扩体流阻系数公式的计算精度较规范公式有所提高。研究结果可为高压差、大流量调流调压系统管路设计提供参考。

深水库区急弯段航道通航能力提升方案

随着三峡和葛洲坝枢纽通航能力的提升,两坝间航道仍是制约长江干线航运发展的瓶颈,其中石牌弯段则是主要碍航段之一。针对石牌弯段采用原型观测和三维数值模拟方法,分别开展隧洞引流和通航隧洞方案的研究。结果表明,深水库区弯曲航道因分流隧洞进出口水面比降小、流速低,分流量极其有限,无法达到预期分流效果和改善急弯段通航条件的目的;采用隧洞通航方式,水力指标基本满足规范要求,可有效提升通航效率。研究成果可为深水库区急弯航道通航能力的提升提供理论支撑和技术参考。

大型通航隧洞建设发展现状分析与拖曳通航演进趋势

通航隧洞作为打通山区航道关键卡口及实现通航建筑物间有效衔接的通航方式,成为了乌江等多条高等级航道枢纽提档扩能的首选方案。笔者调研了大型通航隧洞的行业需求与发展现状,分析了自航式通航隧洞面临的断面尺度要求高、施工开挖难度大、船舶通航安全不可控等技术瓶颈;针对自航式通航隧洞技术瓶颈,总结了顶部拖曳式、岸侧拖曳式等拖曳式通航隧洞方案,对比分析了各种方案在隧洞断面尺度、安全风险、通航效率、环境友好等方面的适用特点,针对拖曳式通航隧洞内船水复杂流固耦合作用分析,提出了亟待解决的4个层面的关键技术难题;展望了通航隧洞将船舶“自航方式”向“非自航拖曳方式”转变带来的4个“标准化”要求;最后,通过1:40的拖曳通航隧洞物理模型试验得出:在隧洞宽度30 m,不同水深条件下,船舶拖曳航行总阻力随弗劳德数增大而增大,相同拖曳速度下,船舶拖曳航行总阻力随水深的增加而减小。为通航隧洞在乌江航道扩能提供了些许思路。

基于格子玻尔兹曼方法的附壁型空化泡演化模拟

依托热流耦合格子玻尔兹曼方法,探究了壁面润湿性与液相黏滞系数对附壁型空化泡演化的影响,并基于双粒子分布函数的热流耦合伪势LBM空化模型对接触点开展了受力分析。结果表明:对于润湿性壁面,演化过程中动态接触角持续大于平衡态接触角,导致其产生的非平衡杨氏力在空化泡生长期间产生迟滞效应,而在溃灭期间则加速了接触点的坍缩;对于非润湿性界面,非平衡杨氏力引发的迟滞效应在溃灭初期减缓了空化泡接触点的坍缩,而在最终溃灭阶段由于界面的剧烈形变,非平衡杨氏力加速了接触点坍缩;溃灭时刻微射流体积与平衡态接触角的余弦函数之间存在指数关系;黏滞系数增大会减小微射流体积,同时延长空化泡演化时间。

向家坝水电站切机非恒定流对下游通航的影响

为分析电站机组突发甩负荷切机运行时,非恒定流对下游通航的影响,以向家坝水电站为研究对象,建立1:100正态物理模型,模拟向家坝水电站机组切机工况,分析8台机组不同切机数量下非恒定流引起的下游河段水位、流速的变化特性,并结合自航船模试验,研究对船舶安全航行的影响。结果表明:电站机组分别切机1~8台时,在采取快速补水情况下,下游水位最大时变幅0.89 m∕h,未超过电站运行调度规程允许值。非恒定流引起的水位变化主要位于桐梓林以上河段,流速变化主要位于和尚岩以上河段,水流条件满足船舶航行要求。研究成果可为电站调度运行、下游航道维护及船舶航行提供技术支持。

不同开挖条件对山区挖入式码头通航水流条件影响分析

开挖进出港航道与港池将会改变河道原有的河床地形高程,进而改变其原有的水动力条件及其泥沙冲淤状况,对通航条件造成影响。以犍为孝姑码头为依托,采用Mike21建立二维水沙数值模型,分析开挖进出港航道和港池工程前后,以及改变进港航道的深度、宽度、角度等之后的水流运动形态和泥沙淤积的情况。结果表明:开挖进出港航道和港池后对原有的主航道整体水流和泥沙条件影响较小,对船舶进出港的通航条件影响较小;不同的开挖条件对进出港航道和港池的水沙条件影响不同,不同开挖角度对孝姑码头的水沙影响较大,30°布置形式更能满足孝姑码头的通航水流条件。

平陆运河老村河支流入汇段通航水流条件优化

支流入汇会导致主流局部出现横向流速及明显的水位波动,进而对运河安全通航产生不利影响。天然条件下,老村河汇入口的局部区域横向流速超过相关通航标准的要求,严重影响航道航行安全,因此需要对超标河段进行优化整治。针对汛期泄洪支流对运河通航水流条件的影响,采用重整化群(RNG)k-ε紊流模型开展三维精细数值模拟,对不同洪水流量组合下汇流区的通航条件进行研究。结果表明,原设计方案扩宽流速超标河段后,虽然能有效改善汇流区水流条件,但部分区域横向流速仍然超标。优化方案同时采用下移衔接段、设置导水挡墙和扩宽河道等措施,采用优化方案后,汇流区整体通航条件效果良好,水流、水位条件均能满足船舶安全通航要求。

向家坝日调节对中嘴码头运行的影响

为分析向家坝水电站日调节运行对下游中嘴码头通航水流条件的影响,建立1:100正态物理模型,对向家坝水电站典型日调节工况进行模拟,分析日调节非恒定流引起的中嘴码头水域流速、水位和比降等通航水力要素的变化过程,同时结合流场分布资料和自航船模试验,研究日调节对船舶航行以及进出港靠泊的影响。结果表明,电站按照拟定的水位变幅进行日调节时,码头河段水位变幅未超过电站运行调度规程允许值,水流条件满足船舶航行要求,船舶可以正常进出港靠泊作业,对码头运行影响较小。研究成果可为电站日调节调度运行提供参考。

基于格子玻尔兹曼方法的近壁区空化泡生长溃灭过程模拟

基于格子玻尔兹曼热流耦合模型,兼顾温度场与流场的相互影响,对近壁区空化泡的生长和溃灭过程开展了系统研究,分析了泡壁无量纲距离和初始输入温度对空化泡演化过程和溃灭强度的影响,并对比了被动标量模型与热流耦合模型的差异。结果表明:空化泡受壁面限制,生长过程中无法保持圆形,其最大半径与泡壁无量纲距离之间存在幂函数关系,当泡壁无量纲距离大于1.6时,则为线性关系;空化泡最大半径与输入能量为线性关系,与初始输入无量纲温度之间存在幂函数关系;热流耦合模型考虑了高温对表面张力的影响,与被动标量模型模拟结果相比,其溃灭阶段获得的射流体积更大,微射流更集中,但溃灭强度更小。

茅坪河入汇平陆运河汇流方案优化

天然条件下平陆运河支流茅坪河入汇对运河通航条件有明显影响,汇流区域存在严重的横流、回流等不利水力现象,影响通航。针对茅坪河入汇平陆运河汇流区域的通航条件问题,采用三维数值模拟对不同流量组合下汇流区域的通航水流条件进行研究。结合设计整治方案在通航条件方面存在的不足,在调顺支流来水、拓宽汇流断面两个方面进行优化。结果表明,优化后的整治方案效果良好,改善了运河通航条件,横向流速、回流流速等水力指标均能达到相应标准的要求。

一种新型竖井式省水船闸输水系统三维数值模拟研究

在水资源匮乏的通航河流上,农业灌溉、发电和航运三者用水矛盾突出,如何节约船闸运行时的耗水量是新建和扩建船闸迫切需要解决的问题。该文提出了一种新型零耗水船闸输水系统,利用充气后的气囊在竖井内上下运动来调节井内水体体积,实现竖井与闸室之间互相灌泄水。以某船闸工程为依托,该文采用数值模拟方法分析了该新型输水系统灌泄水过程中闸室内的水力特性。研究结果表明:在船闸快速灌水、泄水过程中,该输水系统等惯性输水过程能够实现闸室水位快速平稳升降,减小船舶所受的水流作用力,改善闸室泊稳条件;因闸室内水体无需与上下游水体交换,引航道内的水流流态不受船闸灌泄水影响,有利于船舶安全进出闸室。该研究成果为通航河流与运河中的省水船闸设计提供了新思路。