使船闸进水和排水的时间最小化外文翻译资料

 2022-07-27 14:12:50

使船闸进水和排水的时间最小化

摘要

一种模拟填充/应用的数学模型被开发了出来。船闸和在过闸期间计算驳船系泊线上的力。该模型验证了不同的灌装和排空系统（带阀门或回路涵洞的端面填充系统和带有侧端口的墙涵），令人满意地重现了在闸室和吊舱力中产生的液压瞬变。提出了一种程序来设计终端填充系统的最佳阀门操作，这给出了最小的过闸时间，保持了低于允许值的摩擦力。可以得出结论，与以恒定速率操作的阀相比，阀门逐渐增加的速度降低了过闸时间。

1.介绍

船闸的填充/排空时间必须重新设计，以减少通行时间，但过多的流入/流出会产生浪涌和过多的停滞力，导致闸室内发生事故的风险增加。

Rich（1963）通过简单的数学模型分析了闸室中的波浪传播：他认为是一个“灵活的”的船只（即瞬时跟随水面运动的船只）。Kalkwijk（1973）开发了一个ID数学模型，其中包括浅水方程中的校正项；他模拟了鼓起，波荡和滚动的影响，并验证了Rich的假设通常可以被接受。

Gallati和Natale（1977）假定这艘船在他们的数学模型中是灵活的。他们通过将数值结果与水力模型试验中的测量值进行比较，验证了该模型。

许多作者提出了经验关系来评估阀门操作的时间表。根据宗和丁（1990），船舶泊位的水面应始终低于刻度30厘米。卡贝尔卡（Gabelel）和加布里埃尔（Gabelel，1985）认为，闸室水面的上升速度将被限制在0.8-1.2米/分钟，流入/流出量增加到0.2 mVs2。麦卡特尼（McCartney，1986）认为，最大的系缆力应该小于5吨。代尔夫特液压实验室和国际常规国际导航协会（PIANC）（1986年）承认，最大的系缆力可能高达驳船排水量的1％。在中国（Zong and Ding 1990），根据一个固定的规则，可容系缆力从小型驳船（9810 kN）的3％c降至大型驳船（容量为49050 kN）1％c。

对于经济考虑，灌装/排空时间应为运输时间的20％（Kolkman）。McCartney等人（1998）涉及填埋时间闸室尺寸，提升涵洞横截面积和开阀时间。

在以下章节中，介绍了船闸导航的填充/排空过程的数学模型：将数值结果与从门阀，回路涵洞和侧向系统船闸的物理模型获得的数据进行比较。提出了一种评估终端填充和排空系统最佳阀门操作的程序。

2.优化问题

最佳的阀门操作使耕作时间最小化

其中，，被（3）框定、保持系缆力低于容许值

填充时间取决于阀门开度其中X是阀的横截面面积，T是阀门工作时间。

控制设备按时间步骤操作阀门；在每个间隔中，打开速率保持不变。在n阶段操作的i，阀门打开可以表示如下：

其中开启率改变的时间；并且

在n开放率和n次中的最小化问题不能被分析地表达，并且必须通过使用填充的数学模型和停泊的动力学来找到数值解驳船。下一节将介绍数学模型。

3. 数学模型

3.1闸室流体动力学

闸室的填充由自由表面模拟如何方程式

其中x=空间坐标；Q =放电；A =流量区域，在需要考虑驳船尺寸的情况下减少；g =由重力引起的加速度；S =。其中=宽度，h =流动部分的深度；和 =摩擦斜率。

当血液穿过血管的茎（弓）时，流动突然膨胀（收缩）。为了模拟这些效果，在节段上考虑能量守恒（McNown 1976），在茎段考虑动量守恒（Gallati和Natale 1977）。

水流入闸室，如图1所示 1（a）。

图1(a) 驳船在装货期间的位置

对于阀门系统，当闸室填充时，（4）的边界条件时闸室填充，当闸室放空。质量和动量守恒方程被应用到紧邻每个端口上游和下游的部分M和V之间的控制体积。

填充/排空系统的等级曲线取决于阀门开度和水质量和之间的差异。如图1（a）。

3.2边墙流体力学

为了模拟流到侧端口系统的流动，在闸室的每一侧上具有N个端口，涵洞和边墙流体分裂成达到和节点。如图1b。由于液压头不通过N“节点中的每一个变化，所以N次到达的每个流量的能量平衡方程如下：

其中和=分别在上游和下游的节点的液压头到达7号； =距离的长度；并且k =节点的索引，其中k = 1。

摩擦斜率是根据流量Q计算的，根据曼宁方程式计算：在入口处需要小损失（Hydraulic 1995），弯曲/分支（Miller 1971）和侧壁端口（Stockstill等（1991）。

涵洞的流量由阀门开度控制。

N个节点的每M个流入或流出Qm的平衡表示为:

其中，m=1，M。

图1(b) 港口灌装系统侧壁歧管方案（节点编号，覆盖指标）

(Nn Nr)未知数Nn液压头和节点Nr放电的()方程的结果系统由（Np 1）边界条件闭合。对于填充，下游边界条件是每个港口前面的闸室中的Np水位；上游边界是进场通道中的固定水位。

由于液压连接的闸室和涵洞，应同时求解(4)–(6)的系统。

3.3驳船动力学

沿着闸室的轴线停泊的船只的运动具有自由度：波动，起伏和俯仰。

假设浮力总是抵消船舶的重量，船舶的运动就是通过具有两个自由度的阻尼系统的强制振动方程（Timoshenko 1955）来模拟的，

其中，

S波的俯仰角theta;为向量xi;的分量。

刚度矩阵M中的对角元素如下：

，其中Ms是驳船的质量，是添加的质量系数。

，其中是相对于光束轴的惯性矩，是附加的力矩系数。

矩阵中经常用非对角元素表示S和（之间的相互作用是静态力矩）；这些术语可以忽略。

假设Cankaya和Peyton Jones（1999）提出的以下系数是S和的立方函数：

横向力F如下（Kolkraan 1973；Natale和Savi，1994）：

由于表面坡度F的总静水压力由驳船的船首和船尾部分的静水压力之差给出。

由剪切应力T施加在船体上的剪切力表示为:

阻力；由驳船沿着平均流速控制；是阻力系数：是驳船的梁段。力M = Fb的时刻取决于b-与驳船的重心的距离。

3.4数值解决方案

柔性船舶假说将流体动力学问题与驳船动力学问题隔离开来。流体运动方程[(4)]根据Preissmann提出的隐式有限差分方法（Cunge et al.1980）进行了积分。由于流体动力学[(4)]的方程是非常非线性的，所以产生的代数系统是通过迭代解的初始化迭代在每个时间步长中求解的。闸室以N个横截面离散化。

当考虑侧端口填充系统时，闸室的流体动力学由(4)–(6)的系统描述。这通过使用两步程序明确地解决。在时间处，通过用下游条件求解(5)和(6)和计算时间t来确定涵洞的流出，然后，Huiel运动方程[(4)]被积分，以获得时间处的水位。

在计算填充/排空瞬间的水位和闸室内的排放量之后，施加在驳船上的力和其扭矩在(7)中进行评估和介绍。这些方程是由一个明确的二阶有限差分方案（Crandall 1956）。考虑到阀门操作时间表，估计了系缆力。假设填充是在和可以忽略不计（即低于百分之一厘米）。以相同的方式处理清空闸室。

3.5模型验证

数学模型通过模拟门控和端口系统的物理模型实验来验证。

(7)的参数均为两种情况进行了校准。增加质量和阻尼系数，这取决于驳船的质量和室内的水量，应通过实验测试来确定，众所周知，实验室系泊装置不会重现原型系泊线。

3.6最终填充和排空系统

由代尔夫特水力实验室（Gallali和Natale 1977）提供的实验数据允许模拟和排空几个闸室的瞬变（Natale anti Savi，1994）。为了简洁起见，只给出一些结果。如图2和图3所示，比较了Born Lock的计算和测量的闸室水面高程曲线以及Well Lock的系缆力图。 Born Lock长155米，宽16米，电梯11.35米。Well Lock长179米，宽14米，升高6.25米。两个船闸都充满了回路涵洞系统。该模型令人满意地模拟了闸室内的水位升高和吊舱力。

3.7侧端口系统

考虑了路易斯安那州密西西比河--海湾出口新船闸模型研究的数据（Abies 1978）。可以看到Ables关于实验装置，模型和测试程序的解释的报告。原型船闸室宽45.7米，测试程序。

图2终端灌装系统计算和测量的水面高程曲线

图3终端灌装系统 - 计算和测量的系缆力

原型闸室宽45.7米，长365.8米，正常升力5.6米。闸室具有两个侧壁涵洞，进出口歧管和侧壁端口（每侧20个）；反向污水阀控制流入和流出闸室。

两个侧壁涵洞中的每一个在数学模型中离散化，具有43个节点和42个节点。闸室模具具有119个计算截面。通过使用时间步长 = 3s进行数值积分。

实验室实验在稳定和不稳定的流动条件下进行。进气歧管中的压电头。逆向污水阀的上游和下游，在涵洞中测量稳定的流量条件；这些实验允许在进气歧管和侧壁出口歧管处校准头部损失公式。允许非稳态流动模拟确定逆向污水阀的排放系数曲线。因为这个曲线没有在Ables的报告中给出，阀门操作时间表（在他的报告的第8页中给出），图形测量（报告在他的报告的表3中），并通过阀门的排放（从他的表3中推断出报告）用于确定排气系统作为阀门开口的连接点。

图4示出了在填充操作期间计算出的水面高程与测量的水面高度相匹配（埃布尔斯1978，表30）。

图4 侧端口填充系统测量和计算闸室水面高程曲线

涵洞中的压平压头也可以令人满意地匹配测量值。

陀螺力图的傅里叶分析清楚地表明，船舶的移动是：（1）由于室内产生的湍流引起的高频振荡，这不是由数学模型考虑的；（2）由数学模型再现的闸室中的波传播引起的振荡；和（3）由于物理模型中的水体不稳定而引起的低频振荡，这是最不相关的。

如图5所示，该模型再现了埃布尔斯报告（1978）第29页给出的实验机械力图的第一次振动，并且令人满意地估计了最大和最小的牵引力和反转时间（从正到负）。

图5侧端口灌装系统 - 测量和计算的系缆力

在图6计算出的24艘驳船（60480吨排水量）上计算出的最大和最小船只力量与测量值（埃布尔斯1978，Plate IB）相比较，填充时间从4到9分钟变化。数学模型用于扩展实验结果。当使用提升阀代替反向阀时产生的最大跳闸力如图6所示；当使用污垢阀代替排气阀时，随着阀时间的增加，系缆力以更明显的方式减小。因此，当维护操作不太快时，确认反向净化阀是最有效的。

图6.侧端口灌装系统-测量和计算的不同灌装时间和不同类型阀门的最大行程

事实上，通过恒速操作的起重机，污水阀在时间上越来越快地打开；下一节将显示最佳阀门操作需要以增加的速度打开。

3.8灌装和灌装系统的液压设计

优化程序用于设计瓦尔达罗船闸的填充和排空系统--一个船闸，将曼托瓦湖连接到意大利北部的塔塔罗湖航道。闸室长1米（长），宽12.3米，升降3.1米。闸室具有人字闸门与阀门的门。图7-11中给出的数量，以下用于说明方法，参考本应用。

当阀门以均匀的速率（线性运行）打开时，可以容易地确定终端填充和排空系统中阀门的最小横截面积。

使用线性阀操作的闸室填充的模拟允许将最大牵引力R和填充时间Tc与控制变量相关联：阀开启时间T和阀的横截面面积。功能，如图7(a)所示：粗线表示作为恒定S值的开放时间T的函数的填充时间Tc；薄曲线使Tc为T的函数为恒定值。可以观察到，当T增加时，牵引力单调减小。

图7(b)中阴影区域。定义可接受操作面积的第7(b)条由曲线。在边界线R=R *和直线Tc=T之间的交叉点的右侧，填充时间T变得恒定。

由于当Tgt;Tc（即打开时间长于填充时间）时，涵洞过大，所以在Tc = T时发现最佳值。穿过该点的S常数线是阀的最大横截面面积：。

进一步的数值实验表明，大于的阀门不会以任何显着的方式减少灌装时间。即使考虑更复杂的阀门操作。

3.9最佳填充/排放操作

给定，最优操作必须通过直接搜索方法（Himmelblau 1972）来识别，因为Tc和2n未知数之间没有明确的关系（a和T）。作为示例，在图8（a-c）图中示出了对于前面部分中发现的的值的最佳两级阀操作的搜索的特征。其中函数由等式用=常数来描述。阴影区域用R lt;R *定义容许操作的区域。

如图8（a-c）所示，阀门打开速度的增加导致填充时间缩短到最小值。如果超过最大值，则该操作不再可以接受，独立于以下的值：在对比点，总是大于。

Tc=Tc的轨迹点如图9所示；Tc的最小值为。并且横坐标是最佳时间，其与图10所示的摇杆力图的第一个峰值一致。观察到在本研究中遇到的任何一个不同的和更复杂的情况下获得了相同的结果，从而推断出确定最佳时间的相对简单的程序。

将2n个未知变量的优化问题分解为只有一个未知的n个部分问题的级联，考虑到(1)以最快的运算达到其极限值；(2)在达到了最高峰值后，为了控制(i 1)的力峰值，必须增加阀门的开启率，因为阀门打开均匀的速度是第一高峰之后的降落力降低；和(3)可以在级联中分别确定参数{}和{}的值。

3.10建议程序说明

涵洞设计和最佳阀门操作包括以下步骤:

3.10.1评估

1）最初采用非常高的X值

2）通过经典优化方法：正割，高斯，二分法或其他等效方法，对目标函数为Tc=的最佳阀门开度率求解(1)。这里使用二分法。[如果Tclt;T，作则假设T=Tc定义了最佳阀门操作，否则必须重复步骤1和2，从较大的S开始。 全文共7964字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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