(1)流速力水流纵向流动对过闸、停靠的船舶产生作用力;其大小与流速有关,一般情况下,灌泄水过程中,均比较小 (2)波浪力非恒定流形成长波,造成水面倾斜,使船舶受力大小与流量增率、过水断面积有关灌水初期较大,可通过阀门开启方式改善之 (3)局部力集中出流处,水流流速分布不均匀,有掺混、旋转和紊动,局部水流对船舶产生冲击力应该知道,进入闸室的总能量一般无法改变(除消耗于输水系统外,全部进入闸室),集中输水系统设计关键:能够做的就是调整流速均匀性,减小局部力的大小 (a)进入闸室前利用消能室、消能工,在横断面上,(闸室宽度、水深方向),尽量调整流速均匀; (b)进入闸室后利用镇静段,使水流进一步扩散均匀,减小水流作用力2、集输水系统型式 (1)短廊道输水:大多成为环绕(环形)短廊道输水分有无消能室两种 (a) 无消能室,常用于无帷墙、帷墙高度较小的闸首特点是平廊道对冲消能为主,辅加以消力槛、消力池等消能设施b)有消能室,适用于有帷墙空间的上闸首在闸首口门下方的底板内设置消能室,使水流廊道出口后,进入闸室前,先消能室内,充分(对冲,5-2a)掺混消能,(或分道5-2b)均匀扩散,降低出流的强度。
消能室,可分封闭式、格栅式(教材没有)c)槛下输水这是一种秦淮新河船闸(一线)采用的型式特殊的型式,全宽出流,一扇空腹阀门2)直接利用闸门输水 利用门缝、门下、小孔输水各具特色总体特征是:全宽出流、垂直跌落,惨气严重,底部流速大利用对冲、水垫、扩散等方式进行消能3)组合式输水 如三角门门缝输水与短廊道输水结合3、集中输水系统的消能工 1)消能设施 (1)消能室:封闭式、开敞式、格栅式等 (2)消力槛、消力齿:竖向挑流,将底部流速大向上挑起; (3)消力梁:结合消能室使用,调整流速竖向分布下密上疏 (4)消力栅:调整水流横向分布 (5)消力池: (6)其它 2)消能工分类 第一类:无消能工 利用水流的对冲(环形短廊道)、扩散(闸门小孔)、水垫(门下输水,未淹没时)消能三角门门缝输水,几种作用兼有之 第二类:简单消能工无消能室、以及图5-2a的简单消能室 第三类:复杂消能工复杂消能室图5-2b,图5-5,图5-6,以及格栅式 注意的是,下闸首相对上闸首,可以降低一个档次选择消能工,,4、集中输水系统布置原则 1)布置原则 满足输水时间和停泊条件的基本要求,具体 (1)水头损失小,流量系数大,满足输水时间; (2)便于水流消能和扩散; (3)平面上应闸室或下游引航道布置相适应; (4)注意立面上布置,尤其要适应闸室最大平均流速出现时刻的闸室水位。
这个水位时,消能室应该淹没的否则说明,消能室没充分发挥作用; 2)波浪力减小措施:减小灌水初期的流量增率 (1)延长开启时间,均匀慢速开启;但延长了时间 (2)先慢后快开启;不过大影响输水时间 (3)下小上大的断面,,5、集中输水系统布置要求 进口、出口、弯曲段、直线段、阀门段的具体要求具体设计时,按条款一一对照执行 1)进口,防止漩涡,要有足够淹没水深;限制流速小于4m/s; 2)出口,要扩大,增加对冲消能效果,通常为阀门处廊道面积的1.2~1.6倍,并应设置分流导墙(墩); 3)弯曲段,应控制转弯半径,特别是内侧最小半径,防止负压出现; 4)直线段,满足阀门布置,并使阀门前后水流分布均匀和充分扩散,一般不小于1.3~2.5廊道宽度 5)阀门位置,宜设置在高程最低的直线段上,以改善阀门工作条件5.2.2分散输水系统 1、分散输水系统水力特性沿闸室分布式出流,纵向流速、水面倾斜、局部流态产生的水流作用力将极大地减小(相对集中输水系统)分散输水系统的特点是:长廊道的惯性力影响较大,导致出流孔沿程不均匀惯性是一种惰性,在灌水初期,流量呈加速流,惰性阻止流速增加,后方出水孔长度长,惰性大,流速增长慢,所以各出水口流量呈现依次减小的分布;在灌水后期,是减速流,反之呈出水口流量依次递增分布。
总之,因为出流沿程不均匀,将产生波浪力和流速力作用另外,在出水孔处仍有剩余能量,将产生局部力作用显而易见,分散输水系统设计关键是:如何减小惰性的影响!!!等惯性输水系统受到了推崇!,,2、分散输水系统型式(1)简单式 a)闸墙廊道少支孔输水系统,,b)闸墙廊道多支管输水系统,,c)局部分散输水系统,,(2)较复杂式 采用便于水流在闸室内均匀分布的,受单边开启影响较小的闸室底部短支孔出水;单区段、或简单的等惯性输水包括多种形式 a-1)(单区段)闸底长廊道短支孔(管)出水,(单廊道、两廊道),,a-2)(单区段)闸底长廊道短支孔(管)出水,(单廊道、两廊道),,b)闸底长廊道分区段出水 多区段,横向多廊道(区段数的倍数),每区段内对称出水,,c-1)闸墙长廊道闸室横支廊道出水 1-单区段,2-两区段;常用1,,c-2)闸墙长廊道闸室横支廊道支孔出水 (教材有误!!) 1-单区段,2-两区段;常用1,,d)闸墙长廊道闸室中心进口水平分流,闸底纵支廊道二区段出水,简称:水平分流二区段(简单等惯性)输水系统 分别在美国新岸头船闸、葛洲坝3号船闸应用,,e)闸墙长廊道闸室中段进口纵横支廊道支孔出水 简称:水平分流三区段(简单等惯性)输水系统 葛洲坝2号船闸应用,,3)复杂式,又称全动力平衡系统, 立体交叉垂直分流;区段之间完全等惯性;二区段、四区段,,3、分散输水系统布置原则m>2.4 第一类 简单式 1.8
注意足够的淹没水深、控制流速; 3、帏墙顶宜设置斜面,防止闸室水域面积突变; 4、阀门后应有一定长度的直线段,并淹没在下游最低通航水位以下一定深度; 5、阀门后廊道可采用不扩大、向上渐扩、突然扩大(突扩)三种型式,布置应通过模型试验确定; 6、检修阀门门槽(门井)与工作阀门,应注意保持足够距离,防止低压时惨气; 7、有条件时,尽量采用旁侧取排水5.3 船闸水力计算 目的 1、阀门处廊道面积,是输水系统设计的第一步; 2、阻力系数、流量系数,是水力特性的关键参数,反映输水效率; 3、开启时间、输水时间,试算开启时间,与停泊条件有关 4、绘制水力曲线,水头、水位、流量、流速、能量等时间曲线 5、校核停泊条件 6、校核阀门后廊道条件,防止廊道负压或门后产生远驱式水跃 7、转弯段内侧等最低压力水头 8、阀门的工作空化数,防止产生空化(空蚀、气蚀),,5.3.1水力计算的基本方程 伯努利能量守恒方程(Ht~Vt), 连续方程(质量守恒)(Ht~Qt~Vt),可解Ht 1)能量方程,,几个说明: 1)水头损失项 a)包括局部水头损失,沿程水头损失(集中输水系统不计!) b)局部水头损失包括廊道损失,阀门(收缩扩散)损失(平板全开时0,弧形全开时0.1),门槽(门井)损失(平板阀门槽损失0.1(弧形阀门没有,已包含在阀门损失中); c)统一换算到阀门处断面积。
查表时注意分清,表5-3相关表达式中的参照断面; 2)惯性水头项 统一换算到阀门处断面积,集中输水系统不计,,2)方程求解,,a)不计惯性水头时,(其中5-2为连续方程),将时间分为:阀门开启中、全开后,两个时段 开启过程0~tv,,(2)全开后,(3)总的有,,b)考虑惯性水头时 5-11,5-2式得5-18,令d=0时,可得5-16,1)d为惰性水头,主要在输水后期,Ht越来越小时,d的影响越来越大;输水时间是缩短的 2)在Ht=0时,v≠0;在灌泄水末了,闸室水位将以齐平水位为中心,以最大振幅d值上下来回震动,并逐渐衰减d值可达0.5~1.0m,将产生不利影响,应采取措施5.3.2 水力特性曲线的绘制 (1)流量系数曲线,见前面说明,,(2)水头(水位差)曲线,5-13式用差分表示得,(3)流量曲线,,特性曲线示意,这是分散输水的特性曲线 试证明:集中输水系统,在阀门全开后,流量曲线是直线分布!!!!,,5.3.3 船舶停泊条件的估算 1)闸室灌泄水而引起的非恒定流以及局部水流,对船舶停泊将产生动水作用力,是系船缆绳产生拉力 2)由于影响船舶系缆力大小及变化的因素复杂,目前该拉力的确定还不能从理论分析上得到满意的解答,主要借助水工模型试验。
5.3.4阀门后廊道条件的复核 1)输水廊道的阀门通常在压力作用下工作当阀门开启时,水流通过阀门断面后首先产生收缩(当然,收缩在阀门前已经开始了),然后扩散到整个廊道 2)这时,阀门后水力条件主要决定于阀门的淹没水深和通气条件 3)根据阀门通气情况,可分为开敞式、密封式两种4)开敞式——有足够的空气补充,收缩断面处不至于出现很大的负压,但可能出现远驱式水跃,使廊道在相当长范围内流速过大,而且不稳定的水跃,容易回头碰击阀门引起震动通过收缩断面、全扩散断面,建立动量方程、能量方程验算远驱式水跃的可能性 5)密封式——可能产生负压,过低时产生空蚀 通过上游水面-收缩断面,或收缩断面-下游水面,建立能量方程验算收缩断面处的压力5.3.5 分散输水系统的其他问题,,1)惯性水头的影响,惯性超高、超降的 2)转弯段内侧的最低压力 3)阀门底缘空化数的验算,附加思考题: 计算中,阻力系数为一侧廊道组成的各项阻力系数,从而求得流量系数; 廊道面积——为两侧廊道面积之和 试问:如果两侧输水廊道不对称,如何处理?,,。