[01179917]船闸引航道口门区水流数值模拟技术研究及应用

1.课题来源与背景; 横向委托,委托单位：河南省交通运输厅航务局 通航设施在水利枢纽建筑物中是一个不可缺少的组成部分,解决好引航道口门区的流态涉及船舶航行安全和通航效率的问题。在模型中合理的对复杂建筑物边界及泄流建筑物进行概化是进行区域流态模拟研究的关键。 本项目研究成果主要应用于航道规划、论证和航道整治的数值模拟研究中,可以为其它航道规划项目提供借鉴。 2.技术原理及性能指标; 本项目采用非结构网格建立平面二维水动力数学模型,较好的解决了复杂边界形态模拟及模型中泄流建筑物的概化问题。同时,以沙河（平顶山～漯河）航运工程为对象,对沙河与北汝河交汇口水流状况进行模拟计算,并分析水流流态和交汇区泥沙淤积状况;对西陈枢纽引航道口门区及连接段的通航水流条件和泥沙淤积状况进行研究分析,并根据模拟计算分析成果提出相应改进方案;对漯河船闸引航道口门区及连接段的通航水流条件和泥沙淤积状况进行研究分析,并根据模拟计算分析成果提出相应改进方案。 （1）搜集沙河水文泥沙资料,查勘河道交汇区及船闸河段上下游引航道口门区的水沙情况,根据数值模拟试验任务和要求确定模拟方案和工况; （2）对现状河流历史洪水进行模拟计算验证,确定不同洪水时河道阻力状况及流动特征; （3）分别建立沙河与北汝河交汇口、漯河船闸口门区平面二维水流数学模型,并根据实测资料对所建立的模型进行验证;利用所建立数学模型对研究区域进行模拟计算; （4）综合分析数值模拟计算结果,研究河流交汇区与船闸口门区的流态变化,预测区域泥沙冲淤及河道变化趋势,提出相应改进措施。 3.技术的创造性与先进性; （1）利用非结构网格对复杂建筑物边界具有良好适应性的特点,采用非结构网格对通航建筑物进行概化,可以真实反映通航建筑物的设置,优于传统的四边形网格。 （2）在对航运枢纽泄流仿真模拟中,通过在模型中设置中边界如闸门、源汇项来达到对航运枢纽泄流过程的体现,有别于以往计算中通过把闸门处设置为开边界来实现对航运枢纽泄流过程的模拟。 （3）在西陈枢纽区域水流数值模拟中,根据区域实际情况,建立区域水流数学模型,综合考虑沙河、北汝河交汇口与西陈枢纽引航道口门区距离较近特殊情况,对沙河、北汝河交汇口及西陈枢纽引航道口门区进行综合模拟,研究两处相互影响情况下的特殊水流状况,有别于以往仅单独研究交汇口区或引航道口门区水流特性。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性; 通航设施在水利枢纽建筑物中是一个不可缺少的组成部分,解决好引航道口门区的流态涉及船舶航行安全和通航效率的问题;在引航道口门区,由于过流断面突变,将产生流速梯度,形成斜向水流和大面积的回流;当船舶进出引航道口门区时,回流和横向流动会使其发生横漂和扭转,船舶的驾驶变的困难,严重时将会出现失控事故;同时引航道口门区回流的产生还可能会引起口门区泥沙的淤积,造成通航水深的减小。因此对引航道口门区水流条件和泥沙淤积进行研究非常必要。本项目采用的方法和思路为航道规划和论证提供了较好的借鉴,具有明显的经济效益。 5.应用情况及存在的问题; 本项目成果可以应用于航道规划、论证和航道整治的数值模拟研究中,可以为其它航道规划项目提供借鉴,对于航运开发具有重要的实际应用价值。 进一步增加泥沙运动模拟、考虑泥沙冲淤过程是本项目需要继续进行的内容。 6.成果简介 计算模型中采用非结构网格对通航建筑物进行概化,在模型中设置中边界如闸门、源汇项来达到对航运枢纽泄流过程的模拟等方法,有效解决了通航建筑物概化、航运枢纽泄流模拟等工程问题,在国内是一种新的思路和方法。