船過船閘時(shí)的水動(dòng)力特性數(shù)值預(yù)報(bào)研究

船過船閘時(shí)的航行環(huán)境非常復(fù)雜，受船閘結(jié)構(gòu)物或其它結(jié)構(gòu)物的影響，會(huì)產(chǎn)生淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)等水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，使船受到干擾水動(dòng)力作用，威脅到船和船閘的安全。本項(xiàng)目擬基于開源計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件OpenFOAM，研究一種滑移網(wǎng)格方法以及船舶6自由運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，解決相對(duì)滑移網(wǎng)格塊之間流體信息交換插值算法、動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域兩端邊界處理方法、耦合求解雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程和船舶運(yùn)動(dòng)方程的方法等關(guān)鍵問題，從而實(shí)現(xiàn)船閘水域船舶水動(dòng)力特性的研究。應(yīng)用新開發(fā)的數(shù)值工具，以三峽船閘為研究對(duì)象，模擬船過船閘時(shí)的典型工況，研究船速、水深吃水比、偏心距、船-船橫向距離等因素對(duì)船舶水動(dòng)力的影響規(guī)律。同時(shí)，研究不同船閘幾何結(jié)構(gòu)形式對(duì)船舶水動(dòng)力的影響以及在極淺水深條件下淺水效應(yīng)和在極小船到墻壁距離條件下岸壁效應(yīng)的作用機(jī)理。本項(xiàng)目的研究可為船閘水域船舶的安全航行以及新建船閘的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

第1章緒論1

1.1船閘水動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容1

1.2研究現(xiàn)狀1

1.2.1閥門水動(dòng)力學(xué)1

1.2.2輸水系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)2

1.2.3消能工水動(dòng)力學(xué)3

1.2.4閘室船舶系纜力3

1.2.5引航道水動(dòng)力學(xué)4

1.3本書內(nèi)容5

第2章船閘水動(dòng)力學(xué)三維數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)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直接數(shù)值模擬6

2.2.2雷諾時(shí)均法7

2.2.3大渦模擬10

2.3方程離散10

2.3.1二維情況11

2.3.2三維情況14

2.4壓力修正算法14

2.5邊界條件15

2.5.1進(jìn)出口邊界條件15

2.5.2近壁處理15

2.6自由水面的VOF法模擬17

2.7動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)18

2.7.1彈簧光順法18

2.7.2局部網(wǎng)格重構(gòu)法19

2.8CFD軟件應(yīng)用20

2.8.1GAMBIT20

2.8.2FLUENT20

2.8.3TECPLOT21

2.8.4CFD軟件在船閘水動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用21

2.9小結(jié)22

第3章船閘閥門水動(dòng)力特性數(shù)值模擬23

3.1概述23

3.2幾何模型23

3.3計(jì)算工況24

3.4網(wǎng)格剖分及邊界條件25

3.4.1網(wǎng)格剖分25

3.4.2邊界條件26

3.5流量時(shí)空演化26

3.6流態(tài)及流速時(shí)空演化28

3.7壓力時(shí)空演化61

3.7.1平面閥門方案61

3.7.2設(shè)計(jì)方案67

3.7.3門型比較74

3.7.4優(yōu)化方案74

3.8紊流動(dòng)能k"para" label-module="para">

3.9小結(jié)90

第4章船閘整體輸水系統(tǒng)水動(dòng)力特性數(shù)值模擬91

4.1概述91

4.2幾何模型91

4.3網(wǎng)格剖分及邊界條件93

4.4模型驗(yàn)證93

4.4.1水位"para" label-module="para">

4.4.2流速驗(yàn)證94

4.4.3閘室水體紊動(dòng)特性驗(yàn)證97

4.5閘室水力特性97

4.5.1閘室斷面流線"para" label-module="para">

4.5.2閘室自由水面紊動(dòng)情況104

4.5.3格柵孔出流流量分布107

4.6小結(jié)108

第5章船閘消能工消能特性數(shù)值模擬109

5.1概述109

5.2格柵消能109

5.2.1消能效果109

5.2.2消能水流結(jié)構(gòu)和機(jī)理111

5.3明溝消能116

5.3.1幾何模型116

5.3.2模型驗(yàn)證116

5.3.3計(jì)算工況118

5.3.4成果分析118

5.4明溝與蓋板消能比較127

5.4.1幾何模型127

5.4.2模型驗(yàn)證128

5.4.3流速分布131

5.4.4流態(tài)比較141

5.4.5流速比較141

5.5小結(jié)142

第6章閘室船舶系纜力數(shù)值模擬143

6.1概述143

6.2計(jì)算條件143

6.2.1船體參數(shù)143

6.2.2船舶約束邊界143

6.3計(jì)算原理145

6.3.1船舶縱向和橫向受力方程145

6.3.2船舶運(yùn)動(dòng)方程146

6.4“船舶—水流”耦合作用并行計(jì)算程序147

6.4.1并行原理及并行結(jié)構(gòu)147

6.4.2程序設(shè)計(jì)與調(diào)試148

6.5數(shù)值方法與驗(yàn)證149

6.5.1數(shù)值方法149

6.5.2船舶位移及系纜力驗(yàn)證152

6.5.3數(shù)值模擬結(jié)果分析154

6.6小結(jié)159

第7章船閘引航道水動(dòng)力數(shù)值模擬160

7.1概述160

7.2引航道數(shù)學(xué)模型的建立160

7.2.1二維水流數(shù)學(xué)模型160

7.2.2幾何模型及網(wǎng)格剖分163

7.2.3數(shù)模驗(yàn)證165

7.3計(jì)算工況及通航安全指標(biāo)167

7.3.1雙線船閘運(yùn)行方式167

7.3.2特征水位組合167

7.3.3計(jì)算工況與水位組合168

7.3.4通航安全指標(biāo)168

7.3.5測(cè)點(diǎn)布置168

7.4上引航道非恒定流計(jì)算成果分析169

7.4.1雙線船閘同時(shí)運(yùn)行169

7.4.2一線船閘單獨(dú)運(yùn)行173

7.4.3二線船閘單獨(dú)運(yùn)行176

7.4.4一線船閘先開,二線船閘后開179

7.4.5二線船閘先開,一線船閘后開183

7.5下引航道非恒定流計(jì)算成果分析186

7.5.1雙線船閘同時(shí)運(yùn)行186

7.5.2一線船閘單獨(dú)運(yùn)行190

7.5.3二線船閘單獨(dú)運(yùn)行193

7.5.4二線船閘先開,一線船閘后開196

7.6船閘灌"para" label-module="para">

7.6.1船閘灌水對(duì)上引航道通航條件的影響199

7.6.2船閘泄水對(duì)下引航道通航條件的影響202

7.7小結(jié)204

參考文獻(xiàn)205

彩色圖版2092100433B

本書基于RNG雙方程紊流模型，介紹了編者近十年來(lái)關(guān)于船閘水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬與工程應(yīng)用的研究成果，包括：（1）以烏江銀盤船閘輸水系統(tǒng)充水閥門段為研究對(duì)象，進(jìn)行了船閘閥門三維水動(dòng)力特性和體型優(yōu)化研究；（2）以廣東北江濛里船閘為依托，研究了帶格柵消能室的環(huán)繞短廊道輸水系統(tǒng)的三維非恒定水力特性，并提出了適用于船閘輸水系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)中重要的水力指標(biāo)；（3）以廣東北江濛里船閘為依托，研究了格柵消能室的消能特性。以西江貴港船閘為依托，研究了單明溝、雙明溝和三明溝的消能特性。以銀盤船閘為依托，對(duì)比研究了明溝和蓋板的消能特性；（4）以廣東北江濛里船閘為依托，基于“船舶—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)，開發(fā)研究了一套閘室船舶系纜力數(shù)值模擬的并行計(jì)算程序；（5）以西江貴港船閘為依托，研究了船閘引航道水動(dòng)力特性。研究成果不僅為實(shí)際工程提供了可靠的技術(shù)支撐，也可為通航樞紐水動(dòng)力學(xué)的教學(xué)和研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

船舶過閘上行時(shí)，通過輸水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使閘室水面與下游水位齊平，打開下閘門，船舶由下游引航道駛?cè)腴l室，隨即關(guān)閉下閘門，由輸水系統(tǒng)從上游向閘室灌水，待閘室中的水面上升到與上游水位齊平時(shí)，開啟上閘門，船舶即由閘室駛出。船舶下駛時(shí)的過閘程序則相反。船閘一般由設(shè)在閘首邊墩上的中心控制室集中管理。通過電氣閉塞裝置遠(yuǎn)距離操縱閘門和閥門啟閉。在有的船閘上，還將指揮船舶航行的信號(hào)裝置同閘門、閥門的操縱設(shè)備聯(lián)系在一起，以實(shí)現(xiàn)過閘程序的自動(dòng)化。