南水北调东线工程江苏段省界在线测流断面位置选取及船舶航运影响CFD研究

摘要

南水北调东线工程江苏段省界断面位于中运河，为苏鲁省界重要的计量断面，主要任务是在满足泄洪和通航功能要求的条件下，确保东线输水廊道的畅通。由于存在着工程调度和通航要求，导致省界断面流速变化较大，影响着测量精度。在此过程中，在线流量监测断面布设是关系到流量在线监测工作效率和精度的关键，当测流断面和测流位置不确定时，就无法获取有效的流速数据;由于通航与测流设备有效测距的影响，如何确定合适的指标流速范围显得至关重要。本文针对南水北调东线工程江苏段省界断面存在的各项难题，开展在线测流断面位置选取以及船舶航运影响CFD研究。通过调研和资料收集，研究分析宽浅河道在线流量监测方法优劣，优选适合南水北调东线工程省界断面的测流方式;通过数值模拟研究，获取南水北调省界断面在线测流断面位置;研究分析省界河道过流流速分布，获得指标流速流量相关关系;研究船舶对河道流量影响。 (1)省界断面在线测流方法比选。通过对在线流量监测技术的研究，从方法原理、测流优缺点、适用条件等方面进行详细分析和比较，分析各种测流方法在南水北调东线工程省界断面中应用的可行性。研究表明，南水北调东线工程省界断面布设水平式声学多普勒流速仪(HADCP)进行在线流量监测较为适宜。 (2)省界断面HADCP测流断面位置选择与指标流速流量相关关系。运用CFD技术对省界断面河道流动进行模拟，研究省界断面流量测试位置。研究表明:断面4-4流速分布更加均匀、流态更好，适合作为测流断面，且水深2-3m范围内流速更加稳定，流态良好，便于采集有效数据，适合安装测流设备。分析建立所选指标流速与断面流量的相关关系，获得河道断面指标流速规律，为在线测量提供参数。研究表明:在河道测流断面离西堤20m～40m范围内3m水深的流速较为稳定，分布较为均匀，流量相关关系好，可作为在线测流指标流速位置。 (3)省界断面船舶航运对测流的影响。通过CFD技术进行流动模拟仿真，研究船舶航运对测流数据的影响，重点研究省界断面上船舶行驶位置、船舶航速、船舶大小、船舶数量及船舶行驶方向对测流结果的影响。研究表明，当船舶行驶在测流断面离西堤20m～40m区域内时，对指标流速的影响最大，此时该区域河流流线紊乱，流速分布不均，流态较差，离得越远，影响越小。当船行驶在离西堤70m范围以外的区域内时，对指标流速区域内的流速影响很小。研究表明，当船速变大时，离西堤20m～40m范围内的流速也相较于之前变得更大，由原来的0.18m/s增大至0.20m/s，船舶航行速度越快，对指标流速范围内的流速影响就越大。研究表明，当船舶体积增大一倍时，船舶周围易产生漩涡，随着船体的增大，漩涡也越大。对指标流速影响变大，测流断面离西堤20m～40m范围内的流速增大0.01 m/s左右。研究表明，当船舶数量增加至三艘时，对流速影响范围更广，离西堤40m～60m范围内的流速变化不均匀，指标流速区域内的流速也较之前变的更大。研究表明，当船舶逆流航行时，河底周围的流速相较于其他位置较大，流速分布均匀，但逆流行驶时的指标流速比顺流行驶时的指标流速小0.01m/s左右。故船逆流航行时对指标流速的影响相较于顺流行驶时小一些。

目录

摘要

符号说明

第一章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究进展

1．3研究内容

第二章省界断面在线流量监测技术分析比选

2．1 南水北调东线工程江苏段省界拟设测流断面

2．2宽浅河道现有测流方法

2．3省界断面测流方法比选

2．4本章小结

第三章省界断面流动数值模拟方法

3．1计算控制方程

3．2紊流模型

3．2．3 SST κ-ω模型

3．2．4紊流模型选取

3．3网格划分

3．3．1 网格分类

3．3．2 网格划分

3．3．3网格无关性分析

3．4边界条件设置

3．5本章小结

第四章省界断面HADCP关键位置测试参数

4．1计算参数

4．2流动计算结果分析

4．3测流关键断面位置参数

4．3．1 HADCP测流断面选取

4．3．2 HADCP测流水深选取

4．4河道断面指标流速规律研究

4．4．1指标流速位置分析

4．4．2流速～流量关系式

4．5本章小结

第五章省界断面往来船舶航行规律

5．1船舶航行影响

5．1．1船舶位置影响

5．1．2船舶航速影响

5．1．3船舶大小影响

5．1．4多艘船舶影响

5．1．5船舶行驶方向影响

5．2船舶航行对测试精度影响

5．3本章小结

第六章省界断面HADCP在线测流应用及实施

6．1 HADCP测流

6．2 HADCP数据分析

6．3走航式ADCP比测率定

6．4本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果

声明