船过船闸时的水动力特性数值预报研究

船过船闸时的航行环境非常复杂，受船闸结构物或其它结构物的影响，会产生浅水效应、岸壁效应等水动力学现象，使船受到干扰水动力作用，威胁到船和船闸的安全。本项目拟基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM，研究一种滑移网格方法以及船舶6自由运动数值模拟方法，解决相对滑移网格块之间流体信息交换插值算法、动网格区域两端边界处理方法、耦合求解雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程和船舶运动方程的方法等关键问题，从而实现船闸水域船舶水动力特性的研究。应用新开发的数值工具，以三峡船闸为研究对象，模拟船过船闸时的典型工况，研究船速、水深吃水比、偏心距、船-船横向距离等因素对船舶水动力的影响规律。同时，研究不同船闸几何结构形式对船舶水动力的影响以及在极浅水深条件下浅水效应和在极小船到墙壁距离条件下岸壁效应的作用机理。本项目的研究可为船闸水域船舶的安全航行以及新建船闸的优化设计提供技术支持，具有重要的应用价值。 2100433B

第1章绪论1

1.1船闸水动力学研究的主要内容1

1.2研究现状1

1.2.1阀门水动力学1

1.2.2输水系统水动力学2

1.2.3消能工水动力学3

1.2.4闸室船舶系缆力3

1.2.5引航道水动力学4

1.3本书内容5

第2章船闸水动力学三维数值模拟的理论基础及方法6

2.1紊流基本控制方程6

2.2紊流模型6

2.2.1直接数值模拟6

2.2.2雷诺时均法7

2.2.3大涡模拟10

2.3方程离散10

2.3.1二维情况11

2.3.2三维情况14

2.4压力修正算法14

2.5边界条件15

2.5.1进出口边界条件15

2.5.2近壁处理15

2.6自由水面的VOF法模拟17

2.7动网格技术18

2.7.1弹簧光顺法18

2.7.2局部网格重构法19

2.8CFD软件应用20

2.8.1GAMBIT20

2.8.2FLUENT20

2.8.3TECPLOT21

2.8.4CFD软件在船闸水动力学中的应用21

2.9小结22

第3章船闸阀门水动力特性数值模拟23

3.1概述23

3.2几何模型23

3.3计算工况24

3.4网格剖分及边界条件25

3.4.1网格剖分25

3.4.2边界条件26

3.5流量时空演化26

3.6流态及流速时空演化28

3.7压力时空演化61

3.7.1平面阀门方案61

3.7.2设计方案67

3.7.3门型比较74

3.7.4优化方案74

3.8紊流动能k"para" label-module="para">

3.9小结90

第4章船闸整体输水系统水动力特性数值模拟91

4.1概述91

4.2几何模型91

4.3网格剖分及边界条件93

4.4模型验证93

4.4.1水位"para" label-module="para">

4.4.2流速验证94

4.4.3闸室水体紊动特性验证97

4.5闸室水力特性97

4.5.1闸室断面流线"para" label-module="para">

4.5.2闸室自由水面紊动情况104

4.5.3格栅孔出流流量分布107

4.6小结108

第5章船闸消能工消能特性数值模拟109

5.1概述109

5.2格栅消能109

5.2.1消能效果109

5.2.2消能水流结构和机理111

5.3明沟消能116

5.3.1几何模型116

5.3.2模型验证116

5.3.3计算工况118

5.3.4成果分析118

5.4明沟与盖板消能比较127

5.4.1几何模型127

5.4.2模型验证128

5.4.3流速分布131

5.4.4流态比较141

5.4.5流速比较141

5.5小结142

第6章闸室船舶系缆力数值模拟143

6.1概述143

6.2计算条件143

6.2.1船体参数143

6.2.2船舶约束边界143

6.3计算原理145

6.3.1船舶纵向和横向受力方程145

6.3.2船舶运动方程146

6.4“船舶—水流”耦合作用并行计算程序147

6.4.1并行原理及并行结构147

6.4.2程序设计与调试148

6.5数值方法与验证149

6.5.1数值方法149

6.5.2船舶位移及系缆力验证152

6.5.3数值模拟结果分析154

6.6小结159

第7章船闸引航道水动力数值模拟160

7.1概述160

7.2引航道数学模型的建立160

7.2.1二维水流数学模型160

7.2.2几何模型及网格剖分163

7.2.3数模验证165

7.3计算工况及通航安全指标167

7.3.1双线船闸运行方式167

7.3.2特征水位组合167

7.3.3计算工况与水位组合168

7.3.4通航安全指标168

7.3.5测点布置168

7.4上引航道非恒定流计算成果分析169

7.4.1双线船闸同时运行169

7.4.2一线船闸单独运行173

7.4.3二线船闸单独运行176

7.4.4一线船闸先开,二线船闸后开179

7.4.5二线船闸先开,一线船闸后开183

7.5下引航道非恒定流计算成果分析186

7.5.1双线船闸同时运行186

7.5.2一线船闸单独运行190

7.5.3二线船闸单独运行193

7.5.4二线船闸先开,一线船闸后开196

7.6船闸灌"para" label-module="para">

7.6.1船闸灌水对上引航道通航条件的影响199

7.6.2船闸泄水对下引航道通航条件的影响202

7.7小结204

参考文献205

彩色图版2092100433B

本书基于RNG双方程紊流模型，介绍了编者近十年来关于船闸水动力学数值模拟与工程应用的研究成果，包括：（1）以乌江银盘船闸输水系统充水阀门段为研究对象，进行了船闸阀门三维水动力特性和体型优化研究；（2）以广东北江濛里船闸为依托，研究了带格栅消能室的环绕短廊道输水系统的三维非恒定水力特性，并提出了适用于船闸输水系统水力设计中重要的水力指标；（3）以广东北江濛里船闸为依托，研究了格栅消能室的消能特性。以西江贵港船闸为依托，研究了单明沟、双明沟和三明沟的消能特性。以银盘船闸为依托，对比研究了明沟和盖板的消能特性；（4）以广东北江濛里船闸为依托，基于“船舶—水流”耦合动力响应，开发研究了一套闸室船舶系缆力数值模拟的并行计算程序；（5）以西江贵港船闸为依托，研究了船闸引航道水动力特性。研究成果不仅为实际工程提供了可靠的技术支撑，也可为通航枢纽水动力学的教学和研究奠定坚实的基础。

船舶过闸上行时，通过输水系统的调节，使闸室水面与下游水位齐平，打开下闸门，船舶由下游引航道驶入闸室，随即关闭下闸门，由输水系统从上游向闸室灌水，待闸室中的水面上升到与上游水位齐平时，开启上闸门，船舶即由闸室驶出。船舶下驶时的过闸程序则相反。船闸一般由设在闸首边墩上的中心控制室集中管理。通过电气闭塞装置远距离操纵闸门和阀门启闭。在有的船闸上，还将指挥船舶航行的信号装置同闸门、阀门的操纵设备联系在一起，以实现过闸程序的自动化。