三峡永久船闸输水廊道阻力特性研究

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1、三峡永久船闸输水廊道阻力特性研究*陈文学郭军刘继广熊麒麟（中国水利水电科学研究院北京100038）【摘要】船闸输水廉道原、模型水力特性间存在严童的缩尺效应。本文建立了船闸输水系统一维非恒定流数值模拟模型，并结合三峡永久船闸原型观测成果分析了三峡永久船闸输水廉道的阻力特性和缩尺效应的原因。研究表明：输水廊遭水力特性存在缩尺效应的主要原因是原、模型过流表面糙率不相似和局部阻力系数不同，原、模型水流雷诺数不同引起水流流态差异也是原、模型水力待性不相似的凍因之一。阀门全开后，牌门段的阻力系数不为常值，其值的大小与阀门段的水流流态有关.当水流流态没有明显变化时.非恒定

2、流的阻力系数可披恒定流方法确定。【关健词】船闸水力学非恒定流阻力特性缩尺效应1前言船闸输水廊道原、模型间存在严重的缩尺效应，美国LowerGranite船闸、NewBank-head船闸和BaySprings船闸原型的流量系数增加了12%〜19%,原型的阻力系数减小了20%〜29%,葛洲坝2号船闸原型流量系数较试验值增加了12%,岀水孔段的阻力系数减小了50%以上⑴。美国陆军工程师团水道试验站的研究者认为缩尺效应的主要原因是原、模型的雷诺数不相似，并提岀了雷诺数校正法。须清华⑵在研究葛洲坝2号船闸水力学过程中，提出了糙率校正法，即认为原、模型不相似的主要原因

3、是原、模型的糙率不相似。文献［3］对这两种校正方法进行了比较分析，认为糙率校正法的前提是原、模型水流为粗糙紊流，需对模型的沿程阻力系数进行修正；雷诺数校正法的前提是原、模型水流为光滑紊流,由于原模型雷诺数的差异引起原模型水力特性的差异，修正的也是沿程阻力系数。文献［3］在分析比较的基础上提出了一种综合校正法，以体现粗糙度和雷诺数两者的影响。为了反映原、模型出水孔段阻力系数的差异，文献［3］还利用葛洲坝船闸原、模型的测量结果（模型比尺1：40）和美国NewBankhead船闸的原、模型结果（模型比尺1：25）,通过插值方法对三峡永久船闸出水孔段阻力系数进行了修

4、正。采用上述修正方法后，三峡永久船闸双边输水设计的最大输水流量为600mVse三峡永久船闸有水调试期间的原型观测表明⑷，设计工况双边输水时，输水廊道的最大流量为688〜701n?/s,较设计最大流量增加了14・7%〜16・8%。本文结合三峡永久船闸（南线）原型观测成果，利用一维非恒定流理论分析了船闸输水系统的阻力特性和船闸输水系统原、模型水力特性不相似的原因。2数学模型2.1控制方程船闸在运行过程中，输水廊道内为有压非恒定紊流。由于本文研究的是输水廊道的阻力特性，故可不考虑水流流动的细部结构，而将其简化为一维非恒定有压流动。一维非恒定有压流动的连续方程和动量

5、方程分别为⑸:-基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项（水集04QN01）.3h丄7dh丄a23V丄“金(无+V石+云石+vs°=°f+VE+^+8^'V

6、V=°(1)(2),丄Ph=zPS式中：人为断面平均压力水头,z为断面中心高程；P为断面平均压强；g和卩分别为重力加速度和水流密度；a为水中的波速，对于混凝土输水廊道，可取1300m/s；R为水力半径；/为输水廊道沿程阻力系数；So流速。方程式(1)和方程式(2)为双曲型方程组，可利用特性线法求解。2.2边界条件根据输水廊道的布置特点，一维数值模拟时的计算边界条件可以分为4种类型：上游边界条件、下游边

7、界条件、输水廊道局部损失的处理及阀门段的数学模型的建立。上、下游边界条件和输水廊道局部阻力损失的处理相对比较简单，限于篇幅，这里不给出具体的计算公式，详见参考文献［6］。下面重点讨论阀门段数学模型的建立。阀门段简图如图1所示。在竖井内，能量dz/dx为廊道轴线坡度；V为断面平均图1阀门段示意图方程和连续方程如下:(3)(4)这里，定义竖井内水流向下时流速为正。【为竖井内水流阻力系数。式(3)可以简化为：治=尼+r甥+中警(5)式中：乙为竖井内水面到断面2-2的距离。离散方程式(4),并整理得到：h苗'=hw—VJr"1(6)在特征线C+上有：hr=Ct-Bi

8、V广(7)在特征线C一上有：=C冲+B^}V^(8)这里，C-、G+】、和是与相邻离散节点相关的系数，可根据上一时刻值确定。对断面1和断面3-3可得到如下的能量方程:对阀门段，水流的连续方程如下:根据1・1断面和2-2断面测压管水头相等有：A）=hz（11）在时段阀门段4个断面上有7个未知量（假定竖井上下水流流速相等），有7个控制方程，即式（5）〜式（11）,因此问题可解。式（5）和式（9）中均包含有速度的平方项，当整理上述各式时，速度的阶次为4次，方程求解不方便。为了简化计算过程，对式（5）仏，内积分：叩学dtgJ勺dt由于很小，故可假定各物理量在该时段内

9、呈线性变化，于是：Jhdt=+A"）Az2-di=半