船坞虹吸灌水廊道驼峰断面负压特性的试验研究

船坞虹吸灌水廊道驼峰断面负压特性的试验研究
赖志向;叶家玮
【摘要】在船坞灌水虹吸管的水力学试验的基础上,研究了虹吸廊道驼峰断面上的负压特性及其压强分布,驼峰断面上的负压未超出规范所允许的范围.试验结果表明,虹吸灌水廊道原型设计合理.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2010(000)001
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】船坞;虹吸灌水;驼峰断面负压
【作者】赖志向;叶家玮
【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;华南理工大学土木
与交通学院,广东广州510640
【正文语种】中文
【中图分类】TV651
虹吸式灌水作为船坞灌水排水的一种新形式，已经受到各船坞设计部门和船舶生产单位的广泛关注。

其具有结构简单、防冰防沙、断流迅速的优点，与传统闸阀灌水相比，虹吸管还可以避免因锈蚀所致的闸阀关闭不严及干船坞的漏水问题，极大地改善了船厂工人的工作环境。

Luyckx G，Ervine D A和French M J等对虹吸灌
水进行了深入的研究，得出了虹吸管的相关水力学特性[1-3]。

天津大学的白玉川、张效先等对山海关船厂15万吨级修船坞虹吸灌水水力模型进行了相关的试验研究
[4-6]，得出了虹吸灌水廊道的设计方法。

本文通过对虹吸式灌水管道进行定性和
定量的试验研究，得到了整个驼峰断面的压力分布。

试验结果具有一定的参考意义，并将最终为实际的工程项目施工服务。

图1为虹吸式灌水流道示意图，灌水流道可分为3部分：从进口至圆角拐弯处为
引水段；中间为驼峰段，A-B为驼峰过流断面；从直角拐弯处到坞室内流道出口
为整流段[4]。

虹吸灌水流道通常顶部为弯道，俗称为驼峰段，驼峰断面的设计是船坞虹吸管灌水成功与否的关键。

影响控制驼峰断面负压的主要因素为驼峰断面平均流量、流速分布、断面尺寸和曲率半径。

干船坞设计规范[7]要求驼峰断面处最大允许负压值为66.8～78.4 kPa。

水流通过弯曲的流道产生离心惯性力，离心力的存在使驼峰的转弯半径不能太大，离心力的方向沿弯道法线向外，在驼峰顶处为垂直向上，使负压减小，在驼峰底壁垂直向下，使负压增大。

并且由于水流的重力作用，驼峰顶壁位水头高、负压大，驼峰底壁负压小。

因此，根据流速设计合适的灌水虹吸廊道驼峰的转弯半径，能合理地利用离心惯性力，并使驼峰断面压强竖向分布趋于均匀，从而达到减小最大负压值的目的[5]。

1.1 驼峰断面平均流速
驼峰处的流速近似为均匀分布，所以其流速的计算可按势流处理。

流体质点作圆周运动时，其流速分布为：
式中：m为常数；r为半径。

图2为驼峰断面示意图，流道宽为a，高为b，驼峰顶半径为R2，驼峰底半径为
R1，驼峰断面中心半径为R。

由公式（1）积分可求得断面平均流速ν，则
1.2 驼峰断面压强分布表达式
驼峰断面上的压强分布[5]可通过那维埃—司托克斯方程(N—S方程)积分求解，取
坐标原点在弯道的曲率中心处，z轴向上为正(与驼峰断面重合，如图2所示)。

由N—S方程第3式：
在驼峰断面上uz=0，则：
式中：Z=-g+u2/z；g为重力加速度；u2/z为单位质量液体的离心力；z为断面
上某点到曲率中心的距离。

虹吸管道驼峰断面上压强分布为：
式中：p/(ρg)为距弯道曲率中心为r处压强水头；pc/(ρg)为驼峰断面形心点处的
压强水头(不考虑驼峰弯道影响用能量方程计算的)；ρ为液体的密度；R为弯道中
心线的曲率半径；R1为弯道内壁的曲率半径；R2为弯道外壁的曲率半径；r为断面上某点处的曲率半径；b为矩形断面的高度(对于圆管可近似代表直径)；v为断
面平均流速。

对于驼峰顶，r=R2，R-R2=-b/2，由式（4）得驼峰顶压强公式[6]为：
对于驼峰底，r=R1，R-R1=b/2，由式（4）得驼峰顶压强公式[6]为：
在最低潮位运行时，为扩展流道的应用范围，达到最理想状态，令驼峰顶和驼峰底的压强相等，即式（5）与式（6）相等，由此可得驼峰断面高度的表达式[6]为：
式中：b为驼峰断面的高度；R1为驼峰底的半径，R1=R-b/2；R2为驼峰底的半径，R2=R+b/2；v为断面平均流速。

式（7）为b，R1，R2和v的函数，且均
为未知数，对于15万～20万吨级船坞，中心半径R可取5.0～6.0 m左右，断面平均流速在6.0～7.0 m/s范围内。

某2座修船坞分别为#1坞10万吨级和#2坞15万吨级，共用一套虹吸设备，间
距32 m。

驼峰处负压值要求在进出坞水位为1.00 m条件下，负压不大于7.5 m
水柱。

根据业主的技术设计要求及华南理工大学土木与交通学院试验室场地所提供的条件，采用正态水力模型，本次试验选定的几何比尺λL=16。

#1坞流道断面尺寸为：
5.2 m×1.52 m，驼峰断面底转弯半径R1=4.24 m，驼峰断面顶转弯半径
R2=5.76 m，驼峰断面转弯半径R=5 m。

#2坞流道断面尺寸为：4.5 m×1.48 m，驼峰断面底转弯半径R1=4.26 m，驼峰断面顶转弯半径R2=5.74 m，驼峰断面转弯半径R=5 m。

为了控制驼峰断面负压，驼峰断面中心线转弯半径和驼峰断面高度要设计合理；控制驼峰断面流速，充分利用水流的离心力，使之驼峰断面流速分布均匀，具体体现为驼峰断面压强接近。

此次在驼峰断面安装了5个测压点，分别为测点1，2，3，4，5，如图2所示。

根据试验结果如表1所示绘制驼峰断面压强分布如图3所示，X坐标为驼峰断面测点相对于0 m潮位的高程，Y坐标为驼峰各个测点的压强水头。

从驼峰断面压强分布图3可以看出，驼峰断面压强分别在不同潮位下分布趋势接近，而且不超出规范所允许的范围，故本试验所使用的虹吸灌水廊道设计合理。

如果设计最大负压超过允许值，可以通过调整驼峰曲率半径，合理利用离心力，使其在最大水头时，驼峰断面垂向流速分布、动水压强分布趋于均匀，也可以通过增加下段廊道阻力，减小流速，使驼峰负压降低。

本试验基于模型设计、试验验证及数据分析等过程研究了整个驼峰断面的负压特性，并且得到了整个驼峰断面的压强分布，试验结果将最终为实际的工程项目施工提供参考。

[1]Luyckx G,Berlamont J.Accuracy of siphoning rain
gauges[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Urban Drainage:Global Solution for Urban Drainage. US:American Society of Civil Engineers,2002.
[2]Ervine D A,Babaeyan-Koopaei K,Valentine E M.Case study on hydraulic performance of brent reservoir siphons spillway[J].Journal of Hydraulic Engineering,2002,128 (6):562-567.
[3]French M J,Widden M B.The exploitation of low-head hydropower by pressure interchanges with air,using siphons[J].Journal of Power and Energy,2001,215（2）:223-230.
[4]白玉川,张效先.山海关船厂15万吨级修船坞虹吸灌水水力模型试验研究[J].船舶力学,2003(4):36-37.
[5]王常生,陈秀玉.干船坞虹吸式输水廊道驼峰负压的特性[J].水运工程,1985(10):3-10.
[6]张效先,杨建华,白玉川.修-造船坞虹吸灌水流道的设计方法[J].天津大学学
报,2006,39(2):204-208.
[7]JIJ 251—1987干船工艺坞设计规范[S].。