超高水頭船閘消能工型式及消能效果研究

摘    要

本研究在對超高水頭船閘明溝消能與蓋板消能消能效果對比研究的基礎(chǔ)上，得出在相同試驗條件下明溝消能優(yōu)于蓋板消能，繼續(xù)對明溝消能進行進一步研究，深入探討超高水頭船閘單、雙明溝消能工型式、消能效果及分析其消能機理。通過對物理模型實驗和三維數(shù)模計算成果進行分析研究，得到如下結(jié)論：
1、根據(jù)試驗要求，船閘局部模型按重力相似準則設(shè)計，選擇模型比尺1：20，是符合試驗要求的，是可行的。
2、閘室流態(tài)和流速：橫斷面上，雙明溝型式水流上升一段距離后（距閘室底部4m），流場分布已較為均勻，單明溝型式水流上升過程中流場稍微紊亂；縱斷面上，雙明溝型式在水流出流口處的第二道明溝處流速較大，單明溝型式從孔口至邊墻處流速均較大。
3、閘室水面波動：在系列試驗中，各波動特征值變化并不是很明顯，其原因單、雙明溝消能效果均良好，閘室水面平穩(wěn)。
4、消能機理：雙明溝型式和單明溝型式消能的相同點是：孔口的突擴生成大量的旋渦以及水流的相互劇烈摻混；不相同點是，水流上升高度大于0.85m時，雙明溝型式中水流不再可以透過第一道明溝，從而形成雙明溝消能，水流主要在第一道明溝處消能。而單明溝型式水流仍主要在出流擋板末端消能。
5、通過綜合研究表明：在相同試驗條件下，雙明溝型式消能要優(yōu)于單明溝型式的消能。
6、通過比較物理模型試驗結(jié)果與相應的數(shù)學模型計算結(jié)果得到的水力參數(shù)，二者吻合良好：物模試驗結(jié)果與數(shù)模計算結(jié)果進行互相驗證、相宜補充，研究成果可信，為進一步研究閘室的水動力特性及消能特性提供有力的科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超高水頭船閘；明溝消能；模型試驗；三維數(shù)值模擬
 
Abstract

With the development of hydro-electric projects in the past few years, the high dam with more than 30 meters water level comes out continuously and higher requirements for the design of navigation structures has been put forward. It is well known that the canalization lock is one of the most important navigation structures. The increasing water level not only affects the work condition of the valve but also enhance the flow turbulence in the valve to meet designed traffic capacity. And it is difficult for the ships to berth.
The thesis is based on the research project which is named “the study on the pattern of energy dissipater and energy absorbing capacity of superelevaterd hydraulic head lock in the Western China”. And the research is carried out on the difference between two types of energy dissipater of superelevaterd canalization lock with the methods combining physical model and mathematical model. Comparing the flow condition, compressive force and wave height in the sasses of the two type of energy dissipater, the principle energy dissipater is analyzed. Then the research improves that the pattern of energy dissipater of the open ditch is better than that of the cover plate in the same conditions. The research achievement is much reliable in that it is carried out with the method combining of physical model and mathematical model. Analyzing the flow state and principle of energy dissipater, the result of mathematical model supplies that of physical model. 
The research provides scientific foundation for the design of the conveyance system and is beneficial to the development of the hydraulics of lock.

KEY-WORD: superhigh head lock； open ditch energy dissipation；physical model； 3-D numerical simulaotion

目    錄

第一章  緒  論 1
1.1本文的選題背景和意義 1
1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)及發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.1 船閘消能工型式 2
1.2.2 三維數(shù)學模型 6
1.3 本文研究的內(nèi)容和方法 9
1.3.1 研究的內(nèi)容 9
1.3.2 研究的方法 9
1.3.3 三維數(shù)學模型 10
1.3.4 主要創(chuàng)新點 11
第二章  船閘水力計算 12
2.1 輸水系統(tǒng)型式及設(shè)計 12
2.1.1輸水系統(tǒng)型式 12
2.1.2輸水系統(tǒng)設(shè)計 12
2.2 輸水閥門處廊道斷面面積 13
2.2.1斷面面積計算 13
2.2.2 主要輸水斷面設(shè)計 13
2.3 輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù) 14
2.4 閘室輸水的水力特性曲線 15
2.5 輸水廊道的換算長度和慣性超高、超降 16
2.6本章小結(jié) 17
第三章  模型設(shè)計和試驗儀器 18
3.1局部模型設(shè)計 18
3.2試驗方案布置 19
3.3試驗條件 21
3.4試驗內(nèi)容及布置 21
3.4.1試驗內(nèi)容 21
3.4.2測點布置 21
3.4.2主要試驗儀器 24
3.5本章小結(jié) 28
第四章  物理模型試驗及分析 29
4.1壓力分布 29
4.2流態(tài)分析 32
4.2.1 流速比較 32
4.2.2 流速分布 36
4.2.3 流態(tài)比較 36
4.2.4 消能效果比較 49
4.3 閘室水面波動 50
4.3.1 水面波動的衡量標準 50
4.3.2 水面波動比較 51
4.4本章小結(jié) 51
第五章  三維數(shù)學模型計算及分析 55
5.1 數(shù)學模型簡介 55
5.2 幾何模型 56
5.3 模型驗證 57
5.4數(shù)模計算結(jié)果分析 59
5.4.1 流速比較 59
5.4.2 流速分布 60
5.5閘室消能機理分析 69
5.6本章小結(jié) 69
第六章  主要結(jié)論與研究展望 74
6.1 主要結(jié)論 74
6.2 研究展望 75
參考文獻 76
致    謝 79