泄水建筑物空蚀与冲磨耦合作用机制试验研究

为真实模拟泄水建筑物空蚀与冲磨复杂的破坏行为,基于Venturi空化空蚀发生器结构特点和水力学Bernoulli原理,发明了高压高速水流自动挟沙装置,设计并制作了空蚀与冲磨混合作用试验系统。利用研发的装置开展了系列试验,探讨了高速水流空蚀与冲磨混合作用机制。研究表明,空蚀与冲磨混合作用下,材料表面呈现出空蚀与冲磨复合破坏特征,混合作用下的破坏程度明显大于单独作用,空蚀与冲磨之间存在一定的促进和增强作用,空蚀的冲击在材料表面产生的孔洞及散粒体骨架结构,在冲磨切削作用下加速破坏,空蚀使冲磨破坏更加容易。

构皮滩通航设施第一级中间渠道水力学观测与实船试验

依托乌江构皮滩通航工程,开展了含长距离通航隧洞中间渠道的水力学观测与实船试验,揭示了中间渠道波动传播时空变化规律及船舶航行特性。观测表明:中间渠道波动传播速度约5.0~6.8 m/s,波幅与水面宽度呈反比,中间渠道两端的水面波动最大,通航隧洞内次之,大型渡槽交汇区波动最小;在中间渠道船厢卧倒门启闭产生的波幅在2 cm内,船舶正常航行产生的最大波幅约10 cm以内,主要波动周期为120~160 s,水面波动对船舶航行富余水深影响不大;船舶在中间渠道正常航行速度达到了设计指标,最大下沉量发生于船舶出厢连续加速阶段,实测上行和下行最大下沉量分别约25和13 cm,船舶在中间渠道内航行下沉量约10 cm以内,富余水深较大,通航隧洞断面设计总体合理。

通航隧洞船舶航行阻力试验研究

为进一步了解船舶在通航隧洞中航行阻力的变化规律,针对大型船舶提出航行阻力估算公式,建立物理模型开展船模试验对公式进行验证与分析。结果表明:阻力实测值与公式拟合程度较高,验证效果良好;隧洞水域横截面积的变化对航行阻力扰动更大,航行阻力对隧洞水域横截面积的敏感性高于航速;航行阻力与航速的二次方成正比,随着通航断面系数的增大而减小。

西津二线船闸阀门段空化特性及抑制效果

针对船闸阀门段空化问题,以新建的西津二线船闸为例开展原型观测研究,观测表明:充泄水阀门采用设计阶段阀门模型推荐的门楣体型,原型中实现了门楣自然通气,充泄水阀门双边开启最大通气量分别为0.11、0.17 m^(3)/s。门楣通气抑制阀门段空化效果显著,整个阀门开启阶段,闸顶未听见不通气存在的明显的空化泡溃灭声及雷鸣声;与不通气相比,门楣通气后充泄水阀门双边开启过程中空化噪声强度平均降低60%、82%;充泄水过程中,闸顶声级计在开阀期间所采集的平均噪声分别为68、79 dB;门楣通气后,阀门吊杆振动得到明显改善。防空化措施能够有效保护阀门及阀门段廊道免受空蚀侵害,保障船闸安全高效运行。

多汊河流航电枢纽航线规划及通航水流条件

我国河流地貌丰富多样,分汊河流较多,渠化工程布置困难.多汊河流在进行河道通航渠化过程中,需要在枢纽布置、航线规划和通航水流条件等方面进行综合考虑.本研究以浙江衢江安仁铺航电枢纽为例,采用整体物理模型试验,研究多汊河流上航电枢纽的航线规划、航道整治及枢纽运行调度等关键技术难题.比较了枢纽上游多条航线的通航水流条件,给出了最佳航线和船舶航行安全条件;针对下游航道两岸过渡的特点,提出了下游航道优化布置方案和整治范围.结合枢纽合理运行调度,较好地解决了该枢纽的整体通航问题,可为类似工程提供借鉴.

旁海船闸阀门水力特性与防空化技术研究

旁海船闸输水阀门采用平板阀门形式,其工作水头达23.0 m,阀门顶初始淹没水深仅7.5 m,阀门水力学问题是该船闸水力设计较为关键的技术难题。通过物理模型试验研究,提出突扩廊道体型,优化阀门门体结构和门槽体型,探讨阀门段水力特性和空化特性。研究表明,在优化阀门门体结构和门槽形式的基础上,通过突扩廊道体型、门楣自然通气保护(必备措施)和跌坎强迫通气保护(储备措施)可有效解决该船闸平板阀门空化问题。

S形弯曲河段低水头闸坝枢纽口门区通航水流条件研究

以老口枢纽为例,分析S形弯曲河段上低水头闸坝枢纽引航道上、下游口门区水流特点,通过整体物理模型试验及自航船模验证试验,提出改善水流条件的具体措施。研究结果表明:通过修改上下引航道隔墙形式、局部地形开挖、岸坡回填、增设潜丁坝,以及调整凸岸岸线等措施,调整了引航道中心线位置并缩小引航道中心线与河道主流流向交角,减弱及消除了上下游引航道及口门区存在的回流、挑流及隔墙堤头的绕流等不利流态,有效改善了老口枢纽的通航水流条件,为S形弯曲河段低水头闸坝枢纽设计提供参考。

下水式升船机船厢入水过程三维数值模拟技术

船厢出入水过程产生的附加水动力荷载是下水式升船机发展需要解决的一个突出问题。采用VOF模型和κ-ε湍流模型,结合动网格技术建立三维数学模型,对下水式升船机船厢入水过程的水动力学特性进行模拟。研究表明:该模型具有较好的精确性和稳定性,可以用于模拟船厢入水后船池内部产生的复杂水流运动。应用该模型分析构皮滩第三级垂直升船机船厢不同入水速度下船池内部水流波动特性以及流场分布特征,计算结果与物理模型试验结果吻合较好。

国家高等级航道网通航枢纽及船闸水力学创新与实践

随着内河航运事业的快速发展,我国在通航建筑物的建设领域,已取得了丰硕的研究成果。尤其是近10年来一大批高水头大型通航建筑物相继建成,使我国跻身世界高水头通航建筑物建设前列。重点围绕通航枢纽及船闸水动力学的研究难点及关键技术,总结分析了多年来所取得的创新研究成果及其应用情况。同时基于新形势下的建设要求和面临的挑战,对通航建筑物水动力学的研究领域提出了展望。

贵州清水江城景水电站通航水流条件优化试验研究

城景水电站是利用三板溪水库回水的长期消落水头而兴建的水电站,可有效地改善上游河道的航运水流条件。设计船闸布置于泄洪闸中间,枢纽泄洪方式对上下游引航道及口门区水流条件影响大;下游引航道口门区位于弯道凸岸,通航水流条件复杂难以满足通航安全要求。针对以上问题,通过1∶80比尺的整体枢纽模型,研究下游不利通航水流条件的成因。通过降低通航标准、设置导流墩、疏浚凸岸岸线、优化枢纽调度,使引航道及口门区通航水流条件满足通航规范要求,为枢纽通航设计提供了可靠依据。

西津二线船闸输水系统水力特性原型观测

输水系统是船闸的重要组成部分之一,西津二线船闸是西江航运干线中的重要通航枢纽,为确保西津二线船闸能够安全高效运行,试通航前,通过在闸室、阀门井、检修门井、上(下)闸首人字门前后和上游引航道等部位布置水位计,各输水阀门及人字门有杆腔、无杆腔布设油压传感器,对船闸输水系统水力特性、阀门启闭特性及人字门启闭特性进行综合监测、调试与分析,提出合理的运行方式。结果表明:在推荐的运行方式下,惯性超高(降)基本控制在0.10 m之内,大幅改善人字门及活塞杆受力条件,保障船闸的安全运行和高效通航。

闽江水口枢纽坝下水位治理工程通航船闸输水系统布置及水力计算分析

闽江水口枢纽坝下水位治理工程通航船闸长宽比达到16.7∶1,且要求输水时间较短、水力指标较高。根据《船闸输水系统设计规范》和该船闸的具体特点,确定了输水系统形式及各主要部位的尺寸和细部布置,对输水系统的水力特性、输水阀门工作条件及闸室和上下游引航道内的船舶停泊条件进行了计算分析,水力计算表明:设计的输水系统各项水力特性均满足规范和设计要求。

景洪升船机下游引航道口门区通航水流条件观测研究

针对通航建筑物下游引航道口门区复杂流场的现场观测难题,发明了高精度的水流流速、流场测试方法,准确获得不同流量工况下景洪升船机下游引航道口门区的横向、纵向及回流流速,揭示带透水导墙的引航道口门区流场结构特征,为升船机船舶通航安全评价、航路航法优化等通航管理提供重要依据;并将原型观测与模型试验结果进行对比分析,针对通航水流条件模型试验及船舶通航安全评估提出建议,可为相关研究提供参考。

山溪性河流船闸通航水流条件研究

山溪性河流上梯级枢纽开发,由于河道水浅、滩多、弯道多,给枢纽整体布置带来较大困难,以天马枢纽为依托,建立了比尺为1∶100的枢纽整体水力学物理模型,采用超声波多普勒测速技术(ADV)研究了船闸口门区的水流条件。试验结果表明,原枢纽布置方案下,上游停泊段未做掩护措施,船闸口门区流速过大,不利于通航;调整航道中心线后,修建隔流墙及调整泄洪闸的运行方式均可改善上游船闸的通航水流条件,在考虑河道的行洪后,推荐使用调整泄洪闸运行方式的措施。为天马枢纽单线船闸工程通航水流条件改善提供技术支持,同时亦为其他山溪性河流上的船闸改善通航水流条件提供了参考。

山区省水船闸输水系统水力学研究

与运河省水船闸不同,山区航电枢纽省水船闸具有通航水位变幅大、两岸地形复杂等特点,在省水池布置、水位分级和船闸运行方式等方面均面临一些难题。针对山区通航建筑物与枢纽分开布置的工程,研究省水船闸布置方法,充分利用地形条件将高、低省水池分别设置在船闸两侧。针对上游通航水位变幅大的特点,确定船闸采用省水和非省水两种运行方式,两种方式的上游临界水位为214.0 m。在此条件下,计算分析船闸水位分级,确定省水池高程,提出省水船闸输水系统布置。通过物理模型试验,得到省水船闸不同运行方式下的输水水力特征指标、输水廊道压力及闸室船舶停泊条件,并给出各部位输水阀门推荐的启闭方式。结果表明,提出的省水船闸方案在水力学上是合理可行的。

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。

构皮滩钢丝绳卷扬下水式升船机受力特性观测分析

构皮滩第1、3级升船机是目前世界上建成的最大的钢丝绳卷扬下水式垂直升船机。通过原型观测分析升船机出入水运行受力特性,验证升船机各项创新设计。结果表明,船厢按设计速度出入水运行平稳收敛,溢流孔风速、附加水动力荷载、船厢应力与变形、卷筒扭矩与应力等参数均在预期和安全范围内稳定变化,船厢排气孔布置、底铺板楔形体等设计取得良好效果;在设计运行速度内,船厢出入水速度对升船机受力特性影响不大,出入水速度尚有一定优化空间。

船闸反向弧形阀门顶止水装置改造

船闸反向弧形门日常故障主要是顶止水损坏,主要是反向弧形门开启之初顶止水与门楣脱离形成窄缝,止水受力恶劣,易造成止水损坏。从提高止水固定可靠性和改善受力两方面对顶止水装置进行改造研究。通过分析止水现有固定方式存在的问题,采用穿孔螺栓并安装两个螺母防松的方式进行固定,提高可靠性,并在试验装置上对止水压板增加挡水板后止水的受力情况进行测试。结果表明,止水空化减弱,水动力时均压力荷载减小,并能抑制顶止水的自激振动,止水受力状况得到改善。在2022年葛洲坝3#船闸大修中对反向弧形门顶止水装置进行改造,运行效果良好。

涡阳船闸输水系统布置及水力计算分析

为满足涡河货物运输的需要,需对涡阳船闸进行扩建。拟扩建涡阳船闸规模较大、水力指标较高。根据《船闸输水系统设计规范》要求和工程特点,研究确定涡阳船闸采用短廊道格栅消能室消能集中输水系统型式,计算得出输水阀门处廊道断面面积,提出了具体的输水系统布置,确定了输水阀门开启方式,并采用船闸输水过程数学模型计算了闸室输水水力特性。研究成果表明:提出的输水系统布置和推荐的输水阀门开启方式合理可行,各输水水力特性值满足设计和规范要求,能够达到预期的设计目标。

贵港二线船闸下引航道物理模型试验研究

引航道及口门区通航水流条件一直是多线船闸并列布置中十分重视的问题,如布置和运行控制不当,容易导致相关安全问题。建立了1∶100的贵港枢纽下游及船闸引航道物理模型,研究贵港二线船闸的布置方案及其对引航道和口门区水流条件的影响。结合贵港枢纽的特点,分析枢纽不同泄流条件下,二线船闸原布置方案中引航道、一线船闸停泊段及口门区的流速大小,得到影响船闸引航道水流条件的控制工况;在此基础上,提出了优化布置方案,对不同布置长度及透空方式下引航道的水流条件进行了对比分析。根据研究成果,推荐二线船闸下引航道内采用隔流墙,布置长度为135 m,底部不透空或透空高度小于0.50 m的方案。研究成果为贵港二线船闸的优化设计提供了参考。