船閘閥門突擴(kuò)體廊道摻氣水流數(shù)值模擬研究.pdf

1、近二十年來，我國水利建設(shè)及河流水資源綜合開發(fā)利用進(jìn)入了快速發(fā)展時期。興建水利樞紐，帶來的效益之一是改善了航運(yùn)的條件。而船閘作為水利樞紐通航建筑物的主要型式，以其技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。隨著一大批高壩樞紐的建設(shè)，船閘的工作水頭也在大幅提高，同時為提高其適用性，高水頭和超高水頭的船閘不斷出現(xiàn)，逐漸成為現(xiàn)代船閘的發(fā)展趨勢。但高水頭船閘的閥門段廊道空化問題一直是制約船閘安全運(yùn)行的巨大隱患，空蝕破壞是船閘輸水廊道中常見

2、的破壞。現(xiàn)今用于改善空化條件的措施有兩點(diǎn)，一是優(yōu)化閥門段廊道體型，如船閘閥門段廊道新型上下突擴(kuò)體型是一種比較成熟的廊道最優(yōu)方案，相比平頂型和頂擴(kuò)型，其不僅滿足了高水頭船閘輸水的要求，而且很大程度減少了空蝕空化問題，但該廊道體型仍然存在一定范圍的空化區(qū);所以須采用到另一種減蝕措施——增設(shè)摻氣系統(tǒng)，通過摻氣來解決空蝕空化問題。
　　物理模型試驗是研究船閘閥門段廊道摻氣水流最主要的手段，而關(guān)于廊道摻氣數(shù)值模擬幾乎無人涉及。由于閥門門楣的

3、摻氣條件復(fù)雜，不易數(shù)值模擬，因此本文重點(diǎn)以數(shù)值模型的研究手段對閥門后上下突擴(kuò)體型廊道的摻氣水流的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，以國內(nèi)某典型高水頭船閘閥門段廊道為建模對象，結(jié)合物理模型試驗資料和相關(guān)理論知識，建立設(shè)置了臺階狀跌坎和升坎的新型突擴(kuò)體幾何模型，選用Fluent軟件中的VOF模型和Mixture多相流模型，分別對閥門段廊道摻氣前后進(jìn)行二維數(shù)值模擬。最后得到以下四個主要結(jié)論:
　?、傩滦屯粩U(kuò)體廊道屬于更進(jìn)一步的優(yōu)化體型，提高了廊道

4、內(nèi)的壓力，相比于船閘其他體型，其廊道底板、升坎等多個部位的空化潰滅區(qū)得到可觀的改善，通過本文數(shù)值模擬驗證了其良好的減蝕效果;
　　②新型突擴(kuò)體型廊道在閥門0.4、0.5、0.6和0.7開度時，在廊道頂部產(chǎn)生一定范圍的負(fù)壓區(qū)域，易產(chǎn)生空化;在閥門0.3和0.4開度時會在跌坎部位第一、二級臺階處產(chǎn)生少許負(fù)壓，形成空化源;
　?、坶y門0.4開度，廊道頂摻氣速率達(dá)到18m/s時，原廊道頂負(fù)壓區(qū)域全部轉(zhuǎn)化成正壓;
　?、軗綒馑?/p>