引航道通航水流条件数值模拟

陈 辉，刘志雄，江耀祖

(长江科学院，湖北 武汉 430010)

引航道通航水流条件是船闸布置设计的关键技术问题，一般引航道出口距枢纽较近，枢纽下泄主流至引航道出口处扩散形成与引航道航道中心线成一定夹角的斜流，特别当引航道航道中心线与河流主流存在较大夹角时，这种斜流效应加重，威胁着船舶(队)安全进出引航道，从而造成碍航甚至断航.本文研究对象为某航电枢纽下引航道，该引航道与下游河道存在近40°的夹角，这一区域水流条件的好坏直接影响到船舶能否顺利进闸.另外，该枢纽下游河势为近90°的弯道，其弯道水流特性对下游引航道通航水流条件的影响也是工程关心的问题之一.拟通过数值模拟的手段研究不同流量下引航道口门区及其连接段的水位、流速分布，确定其最高通航流量.

1 工程概况

本文研究的航电枢纽工程为河床式布置，主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、电站厂房和通航建筑物等组成.电站建筑物布置在河床靠左侧，泄洪建筑物布置在河床中部，船闸布置在右岸.船闸按照Ⅳ级航道标准设计，船闸紧邻泄洪坝段的右侧，布置于河道的右岸，下游引航道直线段长185m，往下游依次以长213.1 m，圆心角74°的圆弧段，250m的直线段与下游天然航道衔接.引航道底高程为147.00m，底宽大于38 m，口门宽度为60m.枢纽及下游引航道布置见图1.

图1 枢纽及下游引航道布置Fig.1 Layout of the project with downstream approach channel

下游引航道口门区为出口以下150m范围，出口下150～270m为引航道与下游河道连接段.口门区通航水流条件限值有:①平行航线的纵向流速不大于2.0m/s;②垂直航线的横向流速不大于0.3m/s;③回流流速不大于0.4 m/s.

2 数学模型

2.1 控制方程及边界条件

2.1.1 曲线坐标系下基本方程 为较好拟合不规则河道及船闸引航道边界，模型采用正交曲线网格对计算域进行网格划分.正交曲线坐标系下基本方程如下:

2.1.2 流场定解条件 流场定解条件包括边界条件和初始条件.边界条件有开边界和闭边界条件.开边界即进、出口水边界，在非恒定流计算中模型进、出口边界一般给定水位，在恒定流计算中按进口给定流量、出口给定水位.闭边界即陆域边界，模型中令其法向流速分量为0.初始条件包括初始水位和初始流速条件，初始水位直接采用出口边界水位给出，初始流速为零.初始条件的偏差在迭代计算中会很快消失，不会影响最终计算结果精度.

2.2 数值求解方法

根据推导，曲线坐标系下模型基本方程可表示成如下一般形式:该方程的数值离散采用有限体积法，该方法的优点在于能很好保证水流模型中水量和动量守恒.方程离散采用了自动迎风格式，离散方程的求解采用SIMPLE算法.为避免水位锯齿波，采用了交错网格技术.

2.3 数学模型相关问题处理

2.3.1 计算河段网格布置 计算区域为枢纽下游200m至引航道出口下500m长约1km的河段.二维计算网格采用正交曲线网格形式，网格节点数为300×133个，沿水流方向网格间距3～4 m，垂直水流方向网格间距1～2m，引航道口门区计算区域的网格布置见图2(图中为使网格清晰，对纵向和横向网格分别以5和4的间距进行了变稀显示处理).

2.3.2 动边界模拟 在计算过程中，计算域内部分节点在涨水时会被“淹没”，在落水时会“干出”.为正确反映这部分节点的干湿变化，模型中采用了以下动边界模拟技术:选定一临界水深(hmin取0.001 m)，当某时刻某节点实际水深(水位减去河底高程)小于临界水深时，认为该节点“干出”，令该点流速为0，水深为临界水深，水位值由附近非“干出”点水位值外插值得到;当某时刻某节点实际水深大于临界水深时，则恢复程序计算.

2.3.3 参数取值 二维水流数模计算涉及的主要参系数有河道糙率、紊动黏性系数等.河道糙率实际上是一个综合阻力系数，反映了计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及河道地形概化等因素的综合影响.计算所需的糙率采用分区域给定，根据实测水文资料河床糙率确定为0.030，而引航道内开挖边界的糙率确定为0.014.紊动黏性系数采用υt=αu*h公式计算，α为常数，取为0.5;u*为摩阻流速.

图2 引航道口门区计算区域的网格布置Fig.2 Grid layout of the approach channel entrance

3 计算成果及分析

3.1 数值模拟计算结果

对3种通航流量Q=2530，4000，6000m3/s下的下游引航道通航水流条件进行了数值模拟.

3.1.1 水面比降 表1为各级流量下口门区的水面比降值，图3(a)，(b)和(c)分别为Q=6000，4000和2530m3/s条件下引航道水位等值线图.由计算结果可知:各级流量下口门区水面平顺，水面纵横比降均较小，随下泄流量的降低水面比降亦随之减小.Q=6000m3/s条件下，最大水面纵比降为0.80‰，最大水面横比降为－0.40‰，连接段水面存在一定的纵比降－1.80‰，横比降相对较小.所以，各级流量下水面比降较小，满足通航要求.

表1 各级流量下口门区水面比降Tab.1 Water surface slope at the entrance

3.1.2 流态及流速分布 下泄主流在下游弯道处略偏左岸下行，至下游引航道出口处，主流逐渐向右岸扩散，在口门区及连接段形成与航道中心线存在一定夹角的斜流，斜流效应明显，斜流夹角为10°～45°，横向流速较大，影响口门区通航水流条件.同时在口门右岸形成一个顺时针方向的三角形回流区，回流强度较弱，引航道出口下150m断面下游河道水流全断面顺流.引航道内仅出口处为弱回流，其余为较弱的往复流.

当下游水位受顶托上升至淹没引航道左侧边坡顶时，口门区主流变宽，口门区回流向右岸缩窄，且回流进入引航道内，上溯至出口以上约100m.

图3 不同流量下引航道水位某值线与流速矢量Fig.3 Water level isolines and velocity vector diagrams of the approach channel with different discharges

图3(d)，(e)和(f)分别为Q=6000，4000和2530m3/s条件下引航道流速矢量图.Q=2530m3/s和4000m3/s条件下，口门区V纵≤2m/s，纵向流速最大值为1.96m/s，口门区横向流速V横≤0.3m/s，横向流速最大值为0.30m/s.口门区内回流较弱，最大回流流速为0.36m/s，下游引航道内通航水流条件满足通航标准.Q=6000m3/s条件下，口门区右航线(出口下100～150m)通航水流条件较差，下游引航道内通航水流条件不满足通航标准，口门区该处纵向流速最大值为2.66m/s，横向流速最大值为0.55m/s，而口门区左航线位于回流区内，纵向流速相对较小.由于流速矢量与航线夹角较大，横向流速较大，该处纵向流速最大值为1.85m/s，横向流速最大值为0.45m/s，回流流速最大值为0.41 m/s.综上所述，下游引航道内最大通航流量宜为4000m3/s，若要提高通航流量，可适当减小航道中心线与河道主流的夹角.

3.2 数值计算结果与物模试验结果对比分析

将数值模拟结果与物理模型试验(模型几何比尺为1∶100)相应流量下口门区的相同测点流速进行了对比分析(见表2).可见，各级流量下数、物模流速分布吻合较好，流速最大误差为0.10m/s，该数学模型能较好地模拟引航道内通航水流条件.

表2 数、物模口门区流速比较Tab.2 Velocity comparison of the numerical and physical models (m/s)

4 结语

采用数值模拟手段，研究了不同流量下引航道口门区及其连接段区域的水位、流速分布，得出以下结论:(1)当引航道航道中心线与河流主流存在较大夹角时，引航道口门区的斜流效应明显，影响口门区通航水流条件;(2)Q=6000m3/s条件下，口门区右航线(出口下100～150m)通航水流条件较差，下游引航道内水流条件不满足通航标准，当Q≤4000m3/s时，下游引航道内水流条件满足通航要求;(3)数学模型计算结果与物理模型试验结果吻合较好，流速最大误差值为0.10m/s，该数学模型能较好地模拟引航道内通航水流条件.

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