三峽永久船閘輸水系統(tǒng)輸水特性研究

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1、第30卷第4期2002年7月Vol.30No.4Jd.2002河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFHOHAIUNTVERSITY(NATURALSCIENCES)三峽永久船閘輸水系統(tǒng)輸水特性研究王玲玲，髙飛(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：利用等時(shí)段的特征線法數(shù)值模擬三峽永久船閘輸水系統(tǒng)不補(bǔ)水工況下的輸水特性，得出了輸水管道沿程各節(jié)點(diǎn)水頭及流量的變化規(guī)律?計(jì)算結(jié)果與物模成果吻合良好，充分證明了該方法在船閘輸水特性的模擬中具有較高的精度和可靠性.成果可作為制定船閘運(yùn)行方案的依據(jù).關(guān)鍵詞:三峽水利工程；永久船閘；輸水系統(tǒng);特征線法中圖分類號:U641.3

2、*2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:1000-1980(2002)04-0096?04長江三峽工程永久雙線五級船閘的總水頭113叫年通過能力5000萬t,是當(dāng)今世界上閘室及閘、閥門數(shù)量最多、水頭最高、線路最長、運(yùn)行情況最復(fù)雜、規(guī)模最大的船閘工程.同時(shí)，各級船閘的組臺運(yùn)行工況極為復(fù)雜?因此，必須對三峽永久船閘工程輸水系統(tǒng)在不同應(yīng)用條件下的水力特性進(jìn)行全面的模擬研究，為運(yùn)行方案的制定提供依據(jù).1輸水管道一維水力學(xué)數(shù)值模擬三峽船閘輸水系統(tǒng)的流體運(yùn)動可簡化為一維非恒定有壓管流.1.1非恒定有壓管流的控制方程av(1)a.運(yùn)動方程：avdi式中：H——水頭；V——管道斷而平均流速；D——管徑;一達(dá)

3、西■維斯巴哈摩擦系數(shù)；St——空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo).gdxdxdt(2)管道與水平線的b.連續(xù)方程:式中：a——管道內(nèi)水擊波的傳播速度，對不同管道取值大約在1()00~1200m/s范圍夾角，當(dāng)中心線高程沿距離x增加時(shí)為正.1.2數(shù)值離散方法——特征線法控制方程(1).(2)組成的偏微分方程組，可采用特征線法數(shù)值求解，詳見文獻(xiàn)[1]?應(yīng)用該方法巌終可得岀時(shí)間-空間域上的顯式迭代格式：C+"-Vr*曽-Hr)+^-VKsina(tp-(r)+丨％丨(tp-4)=0Xp-=(Vr七a)(tp—Ir)Vp-Vs■f(Hp-H$)■"^V$sina(tp—is)+丨％I(S-%)=0KX:

4、Xp—Xs=(V5—a)(tp—^5)式中C?和C■分別表示圖1中的RP和SP線，下標(biāo)A,B,C表示上一時(shí)間段即c時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)，其水頭和流速值均為已知；R,S點(diǎn)水力參數(shù)值可由A,B,C點(diǎn)內(nèi)插得，P節(jié)點(diǎn)為C節(jié)點(diǎn)下一時(shí)段即t+/時(shí)刻的值.故管道任意內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的水頭和流速都可由方程(3)和(4)聯(lián)立求解得到.收稿日期：2001-05-22作者簡介：王玲玲(1966—),女?江蘇射陽人?博士■副教授，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究.1.3邊界條件a.管道進(jìn)口（或?qū)缈冢┻吔纾汗艿肋M(jìn)、出口通常作為水位已知邊界，利用式（4）町求得該邊界流速（量）值,用式（3）可求下游邊界流速（量）值.圖1特征線法

5、計(jì)算簡圖Fig.1Calculationschemeofcharacteristiclinemethodb.管徑變化處：設(shè)在第i根管的第幾個(gè)節(jié)點(diǎn)與第i+1根管的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，管徑發(fā)生變化，則根據(jù)兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的水量連續(xù)性條件并不計(jì)局部水頭損失，可求得兩相鄰節(jié)點(diǎn)的水頭與流量.c.多管交叉連接點(diǎn)：略去局部水頭損失，根據(jù)連續(xù)性條件即進(jìn)、出該節(jié)點(diǎn)的流量平衡，可推求各交叉管道鄰近交叉點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)水頭及流：ft值.d.閥門井：將閥門井分解為一個(gè)井和一個(gè)閥門分別處理.在計(jì)算過程中，將該門井視為主廊道上的一個(gè)豎直的交叉管道進(jìn)行計(jì)算.2計(jì)算管段與節(jié)點(diǎn)的剖分三峽永久船閘任意一級輸水系統(tǒng)的不補(bǔ)水運(yùn)行方式均

6、可概化為圖2.由于船閘的輸水管道首、末級與中間各級的長度及管徑變化情況均有較大差別，將五級船閘的1、2級輸水管道（管長分別為412m及528m）,剖分成10個(gè)管段即11個(gè)節(jié)點(diǎn)，中間各級管道管長533m,剖分為12個(gè)管段，末級管長1603m,剖分為22個(gè)管段?各級管道剖分中沿程第5節(jié)點(diǎn)均為門井節(jié)點(diǎn)，第6節(jié)點(diǎn)均為閥門節(jié)點(diǎn)，兩者相距2.0m.為采用等時(shí)段特征線法，通過試算即微調(diào)管道中的波速山（初值取為1100m/s）,在保證各管段都采用相同的時(shí)間步長的條件下，對剖分后的各級管段利用F式試算其上所應(yīng)布置的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)M?輸水管道沿程阻力系數(shù)參考有關(guān)文獻(xiàn)①中所提供的數(shù)值.~（匕+a）Ni式中

7、厶為各管段的管長.選擇表1所示的計(jì)算工況進(jìn)行模擬計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果見圖3.表1上游175.00m.下游62.00mX況各閘室運(yùn)行條件/；,Table1Operationschemeofeachgatechamber泄水閘主（上剛室）▼門井1_亠~閘家編號最高水位/m最低水位/m1175.0152.4―1充水閘室2152.4129.8輸水閥門1（卜1列至）3129.8107.24107.284.6圖2三峽船閘不補(bǔ)水運(yùn)行槪化圖584.662.0Fig.2Schematicdiagra