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超高水头船闸消能工型式及消能效果研究

摘    要

本研究在对超高水头船闸明沟消能与盖板消能消能效果对比研究的基础上，得出在相同试验条件下明沟消能优于盖板消能，继续对明沟消能进行进一步研究，深入探讨超高水头船闸单、双明沟消能工型式、消能效果及分析其消能机理。通过对物理模型实验和三维数模计算成果进行分析研究，得到如下结论：
1、根据试验要求，船闸局部模型按重力相似准则设计，选择模型比尺1：20，是符合试验要求的，是可行的。
2、闸室流态和流速：横断面上，双明沟型式水流上升一段距离后（距闸室底部4m），流场分布已较为均匀，单明沟型式水流上升过程中流场稍微紊乱；纵断面上，双明沟型式在水流出流口处的第二道明沟处流速较大，单明沟型式从孔口至边墙处流速均较大。
3、闸室水面波动：在系列试验中，各波动特征值变化并不是很明显，其原因单、双明沟消能效果均良好，闸室水面平稳。
4、消能机理：双明沟型式和单明沟型式消能的相同点是：孔口的突扩生成大量的旋涡以及水流的相互剧烈掺混；不相同点是，水流上升高度大于0.85m时，双明沟型式中水流不再可以透过第一道明沟，从而形成双明沟消能，水流主要在第一道明沟处消能。而单明沟型式水流仍主要在出流挡板末端消能。
5、通过综合研究表明：在相同试验条件下，双明沟型式消能要优于单明沟型式的消能。
6、通过比较物理模型试验结果与相应的数学模型计算结果得到的水力参数，二者吻合良好：物模试验结果与数模计算结果进行互相验证、相宜补充，研究成果可信，为进一步研究闸室的水动力特性及消能特性提供有力的科学依据。

关键词：超高水头船闸；明沟消能；模型试验；三维数值模拟
 
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    录

第一章  绪  论 1
1.1本文的选题背景和意义 1
1.2 国内外研究动态及发展现状 2
1.2.1 船闸消能工型式 2
1.2.2 三维数学模型 6
1.3 本文研究的内容和方法 9
1.3.1 研究的内容 9
1.3.2 研究的方法 9
1.3.3 三维数学模型 10
1.3.4 主要创新点 11
第二章  船闸水力计算 12
2.1 输水系统型式及设计 12
2.1.1输水系统型式 12
2.1.2输水系统设计 12
2.2 输水阀门处廊道断面面积 13
2.2.1断面面积计算 13
2.2.2 主要输水断面设计 13
2.3 输水系统的阻力系数和流量系数 14
2.4 闸室输水的水力特性曲线 15
2.5 输水廊道的换算长度和惯性超高、超降 16
2.6本章小结 17
第三章  模型设计和试验仪器 18
3.1局部模型设计 18
3.2试验方案布置 19
3.3试验条件 21
3.4试验内容及布置 21
3.4.1试验内容 21
3.4.2测点布置 21
3.4.2主要试验仪器 24
3.5本章小结 28
第四章  物理模型试验及分析 29
4.1压力分布 29
4.2流态分析 32
4.2.1 流速比较 32
4.2.2 流速分布 36
4.2.3 流态比较 36
4.2.4 消能效果比较 49
4.3 闸室水面波动 50
4.3.1 水面波动的衡量标准 50
4.3.2 水面波动比较 51
4.4本章小结 51
第五章  三维数学模型计算及分析 55
5.1 数学模型简介 55
5.2 几何模型 56
5.3 模型验证 57
5.4数模计算结果分析 59
5.4.1 流速比较 59
5.4.2 流速分布 60
5.5闸室消能机理分析 69
5.6本章小结 69
第六章  主要结论与研究展望 74
6.1 主要结论 74
6.2 研究展望 75
参考文献 76
致    谢 79