平面直升閘門流固耦合振動同步測試模型試驗研究

沈春穎 ， 何士華， 楊婷婷， 王 韋

(1.昆明理工大學 電力工程學院，昆明 650500； 2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護 國家重點實驗室，成都 610065)

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平面直升閘門流固耦合振動同步測試模型試驗研究

沈春穎1,2， 何士華1， 楊婷婷1， 王 韋2

(1.昆明理工大學 電力工程學院，昆明 650500； 2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護 國家重點實驗室，成都 610065)

采用三維PIV測速系統(tǒng)和多通道振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時監(jiān)測平面直升閘門在下游淹沒出流條件下，水流流場分布及閘門振動參數(shù)。結(jié)果表明：相同工況下，當閘后漩渦順水流方向越靠近閘門，此方向的振動位移將達到最大值，峰值比振動位移的均值高出3倍～4倍，離漩渦中心縱坐標越近的測點，其振動參數(shù)的峰值較大。隨著閘下水流平均流速與湍動能的增加，對同一測點，閘門振動加速度、速度以及位移的峰值都是沿著水流正方向或水流負方向逐步增加的。閘門底緣附近振動的幅度與閘門開度密切相關(guān)，閘門開度達到一定值后，對閘門振動已無較大的影響。試驗的結(jié)論為探索閘門振動機理提供了依據(jù)。

同步測試；流固耦合振動；模型試驗；平面直升閘門；渦流

平面直升閘門廣泛運用于水利樞紐中，目前對于水工閘門的流激振動機理尚未有較清楚的解釋，平面閘門振動分為順流向與垂直振動兩個方面，劉海浪[1]在分析水工平面閘門的流激振動機理中認為平面閘門順流向振動主要是由渦激振動和流體慣性機制引起的。郭桂禎等[2]從流量系數(shù)和流體慣性角度分析了平面閘門垂向振動機制和穩(wěn)定性。

平面直升閘門在部分開啟狀態(tài)下或啟閉的過程中，受到非均勻動水荷載的作用，其振動類型和振動程度取決于閘門結(jié)構(gòu)、水流條件及其閘門與水流之間的耦合作用。特別是在閘后為淹沒條件的情況下，水流結(jié)構(gòu)更為復雜，并且水流在瞬時情況下是湍動的，不同時刻其水位及速度矢量是隨時間變化的；同一時刻，閘門的振動響應又是如何，兩者之間相互影響及耦合作用是值得深入研究的。KOSTECKI[3]結(jié)合渦方法與邊界元法數(shù)值模擬預測了平面閘門后有壓情況下的二維流場，捕捉到了閘下渦脫落過程。肖興斌[4]結(jié)合三峽水電站排沙底孔工作平板閘門進行了高水頭閘門水力特性試驗研究，因原型水頭較高，對閘后流場的分析顯然困難較大。謝智雄[5]利用ANSYS軟件對大跨度平面閘門自振特性作了一定的分析；潘樹軍[6]對大型平面閘門的流激振動做了模型試驗與數(shù)值模擬，但研究對象也僅是固體平面閘門。因此把水流與閘門兩者結(jié)合起來，分析耦合振動顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)還沒有采用測速系統(tǒng)及振動測試系統(tǒng)進行平面直升閘門后流場測試以及同步下閘門振動的測試。本文是采用奧地利引進的DEWE-43A型多通道振動應變采集系統(tǒng)和朗斯測試技術(shù)有限公司的防水型加速度傳感器測試流固耦合振動閘門的加速度、速度及位移，同時采用美國TSI公司全三維的粒子測速系統(tǒng)( Partical Image Velocimetry， PIV)進行流固耦合下流場的全三維測試，得到流場動態(tài)分布特性，進一步探索引起平面直升閘門振動的機理。

1 測試系統(tǒng)介紹

1.1 PIV測試系統(tǒng)

PIV技術(shù)是目前測試瞬態(tài)水流流場分布的一種先進技術(shù)，由于測試時不干擾水流，且可以同一時刻測試出一定范圍內(nèi)的流場分布，捕捉到點流速的大小及方向，特別是包含渦流的流場，對分析水流結(jié)構(gòu)有較大的意義，所以它具有其他傳統(tǒng)測試手段無法比擬的優(yōu)勢。三維PIV處理比二維PIV的優(yōu)勢在于：采用兩個相機與三維標定耙，不僅可以獲取更加全面的流場信息，還可以利用兩個相機獲得的矢量數(shù)據(jù)進行相互驗證，令獲得的速度矢量結(jié)果更為可靠。本試驗利用insignt3G軟件與兩個PIV專用跨幀CCD相機拍攝流場粒子圖像，采用自相關(guān)或互相關(guān)原理進行圖像處理，最后通過Tecplot后處理軟件得到瞬態(tài)水流速度矢量圖以及渦量圖。

PIV技術(shù)在近些年得到了廣泛地運用。吳福生[7]在測量含淹沒剛性植物明渠水流的流速全場時利用了二維PIV技術(shù)；張金鳳等[8]利用PIV對高雷諾數(shù)下方腔流場進行了測量，得到了方腔流的流動形態(tài)和渦旋分布；王文全等[9]同時采用3D-PIV流場測試系統(tǒng)和DH-5935N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，在不同雷諾數(shù)下得到了方柱-彈性板系統(tǒng)周圍流場的時空演化特性和彈性板的運動規(guī)律；李永等[10]在研究進水口前吸入渦的流動特性以及不同結(jié)構(gòu)的進水口對吸入渦的影響時采用了三維PIV技術(shù)；吳劍等[11]對橫流中近壁水平圓柱繞流旋渦進行的試驗研究中同樣使用了PIV測速系統(tǒng)。所以利用3D-PIV技術(shù)來測試淹沒條件下閘后水流的流場分布是可行的。

1.2 多通道振動應變采集系統(tǒng)

本試驗采用多通道振動數(shù)據(jù)采集儀，把加速度傳感器貼到平面閘門的不同位置，顯示器將實時監(jiān)測閘門振動的加速度、速度和位移，并進行記錄，最終繪制出平面直升閘門振動時程曲線以及頻譜曲線。

1.3 流-固耦合測試系統(tǒng)介紹

把這兩套系統(tǒng)結(jié)合起來，同時監(jiān)測水流流場分布及閘門振動參數(shù)。見圖1的流-固耦合測試系統(tǒng)。

圖1 流-固耦合測試系統(tǒng)Fig.1 Fluid-structure interaction testing system

2 試驗

試驗擬在長約為3 000 mm，槽寬100 mm，高為190 mm的有機玻璃自循環(huán)水槽中進行，研究閘門采用有機玻璃材料，開度為e1，尾部閘門開度為e2。為分析閘后水流的湍流特性，調(diào)節(jié)尾部閘門，使閘后水流為淹沒出流。圖2為閘門布置以及兩套試驗系統(tǒng)的詳細布置圖。

圖2 試驗布置圖Fig.2 The layout of experiment

2.1 試驗工況

表1 13種試驗工況

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 水流流場測試結(jié)果

水流流場測試采用3D-PIV技術(shù)，待水流穩(wěn)定后，以加速度傳感器0 s開始計時，這里選取工況5、8的中斷面z=0 mm進行分析，提取時間為105 s、106.6 s、108.2 s、109.8 s、111.4 s的水流速度矢量圖。閘后水流的速度矢量圖中橫坐標0 mm處為閘門中軸線所在位置。如圖3、圖4所示，圖中的圓圈表示捕捉到的離閘門最近的游渦信息。

(a)t=105 s (b)t=106.6 s (c)t=108.2 s

(d)t=109.8 s (e)t=111.4 s

圖3 工況5在不同時刻的閘后流場分布圖

Fig.3 Distribution of flow field after gate for working condition 5 at different time

圖4 工況8下105 s閘后流場分布圖Fig.4 Distribution of flow field after gate for working condition 8 at 105 s

通過圖3分析，在工況5(閘下平均流速v= 1.34×103mm/s)下，時刻第105 s、106.6 s、108.2 s、109.8 s、111.4 s時，速度矢量圖各不相同，表現(xiàn)為閘后漩渦位置不同，水面線也各有差異，這就是湍流特性所決定的。閘后的漩渦順水流位置在橫坐標為20 mm～60 mm之間移動，由于此工況下的水流湍動較為激烈，水面線在200 mm范圍內(nèi)的變化于6 s內(nèi)顯而易見，閘門附近除了主流，還捕捉到了破碎波的情況。由多通道振動系統(tǒng)測試所得工況5最大振動位移發(fā)生在107.6 s時，發(fā)現(xiàn)在速度矢量圖108.2 s時其閘后漩渦的位置在105 s～111.4 s中間拍攝的速度矢量圖中橫坐標最為接近閘門的。

而通過圖4工況8與工況5的閘后流場分布圖對比可以看出，工況5下研究閘門的開度為15 mm，水流在縱坐標為25 mm以下的水流流場比較平順，而工況8時的閘門開度為30 mm，此時閘后的流場在60 mm以下都較為規(guī)則，兩種工況都出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。工況5時上部水流湍動劇烈，水面線急劇變化，主要是由于閘后水流形成了表面大尺度的漩滾，漩滾不停撞擊閘門；但工況8的閘后水流表面較為平緩，觀察不到漩滾現(xiàn)象，所以探究閘門振動的機理還應該借助于PIV測速系統(tǒng)，捕捉水流內(nèi)部的漩渦情況。工況5離閘門較近的漩渦縱坐標位置在40mm以下，而工況8的漩渦中心離水槽底部在70 mm左右。從而導致工況5時A點的振動參數(shù)的峰值比B點要大，而工況8卻出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，B點的峰值比A點要大。這是由于在工況5時，漩渦中心縱坐標離閘門上A點較近，而工況8時漩渦中心的縱坐標離B點較近。

從以上兩方面分析得出：閘門順水流方向振動的主要原因是閘后水流的表面漩滾以及水流內(nèi)部漩渦的疊加。在相同工況下，當閘后內(nèi)部漩渦順水流方向越靠近閘門，閘門的振動位移將達到最大值；離漩渦中心縱坐標越近的測點，其振動參數(shù)的峰值較大。

表2計算了五種工況下閘下平均湍動能的結(jié)果，其中工況5計算所得的湍動能較其他4種工況大，水流的湍動能越大，閘門振動的位移最大值也隨之增加，所以湍動能k也是決定振動位移幅值大小的因素之一。

表2 閘下平均湍動能計算結(jié)果

注：v為閘下平均流速(mm/s)；Re為雷諾數(shù)；I為湍動強度；k為湍動能

2.2.2 平面閘門振動測試結(jié)果

A、B點都為閘門上的測點，A點為沿閘門中心，離

閘門底緣10 mm處振動測點，B點為沿閘門中心，離閘門底緣60 mm處振動測點。

在不同過閘水流的平均流速下，靠近平面閘門底緣A點的位移—時間歷程曲線見圖5。從圖可見：① 閘門底緣振動曲線呈現(xiàn)非周期的振動形態(tài)。② 從測試時間段內(nèi)得到的振動信息看，每種流動速度下都捕捉到了高位移出現(xiàn)的瞬間。閘下流速較小的工況8、9的位移基本在-0.000 1 mm～0.000 1 mm之間擺動，而其余三種工況都在-0.000 2 mm～0.000 2 mm之間擺動，且位移峰值都要高于均值的3倍～4倍。但這種瞬間的高位移振動持續(xù)時間較短，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)五幅圖，正負峰值位移都只是在瞬間出現(xiàn)。③ 在工況5時，F(xiàn)FT變換后的平面直升閘門振動參數(shù)的頻譜曲線見圖6，由圖可得出：閘門的振動加速度、速度以及位移主頻為185.5 Hz、次頻為273.4 Hz、380.9 Hz。④ 從以上五種工況看，過閘平均流速越大，振動位移的峰值也隨之增大。

(a)v= 0.32×103mm/s (工況9) (b)v=0.66×103mm/s(工況8) (c)v=0.72×103mm/s (工況4)

(d)v= 1.10×103mm/s (工況1) (e)v= 1.34×103mm/s(工況5)

圖5 不同工況下閘門上A點位移時程曲線

Fig.5 Time history curve of displacement of point A on gate for different working condition

在不同過閘水流的平均流速下，選取5種典型工況，過閘水流的平均流速分別為0.32×103mm/s、0.66×103mm/s、0.72×103mm/s、1.10×103mm/s、1.34×103mm/s。平面閘門離開平衡位置順水流方向(+x)或逆水流方向(-x)振動時閘門上A、B點處振動最大加速度a、速度v及位移d見圖7、圖8。通過多通道振動數(shù)據(jù)采集儀對于平面閘門上測點A、B的振動數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：① 從總的曲線發(fā)展趨勢看，對同一測點，隨著過閘水流平均流速的增加，振動加速度、速度以及位移的峰值都是沿著水流正方向或水流負方向逐步增加的；② 相同工況下，離漩渦中心縱坐標越近的測點其振動參數(shù)的峰值較大。

圖6 工況5閘門上A點的振動參數(shù)的頻譜曲線Fig.6 The frequency spectrum curve of point A on gate vibration parameters for working condition 5

圖7 不同過閘水流的平均速度下，閘門上A點的振動最大加速度、速度、位移Fig.7 Maximum vibrating acceleration,velocity and displacement of point A on gate for different average flow velocity

通過對研究閘門以及尾部閘門處于不同的開度下，A點振動位移最大值圖9的分析，可以得出以下結(jié)論：① 相同流量下，若尾部閘門開度相同，即下游水位相同，研究閘門的開度e1越大，振動位移的最大值越小，因為研究閘門的開度越大，過閘水流流速相應變小；② 相同流量下，若研究閘門的開度相同，尾部閘門開度e2越大，則振動位移最大值也越大。這是由于下游閘門開度加大后，下游水深下降，使得上下游水位差變大，作用于閘門的壓力變大，則振動位移的最大值也隨之增加；③ 其他條件不變的情況下，上游流量越大，振動的最大位移值也越大。④ 研究閘門開度e1從30 mm到45 mm，A點振動位移最大值變化幅度較15 mm

圖8 不同過閘水流的平均速度下，閘門上B點的振動最大加速度、速度、位移Fig.8 Maximum vibrating acceleration,velocity and displacement of point B on gate for different average flow velocity

圖9 不同閘門開度下，A點振動位移最大值Fig.9 Maximum vibrating displacement of point A for different gatages

到30 mm變化幅度明顯減弱，說明在閘門底緣附近振動的幅度與閘門開度密切相關(guān)，閘門開度達到一定程度后，對閘門振動已無較大的影響。

3 結(jié) 論

(1) 從閘后的水流速度矢量圖分析可以得出：相同工況下，當閘后漩渦順水流方向越靠近閘門，此方向的振動將達到最大值，且峰值比該工況下振動位移的均值高出3倍～4倍。不同工況下，漩渦中心離水槽底部的距離是不同的。相同工況下，離漩渦中心縱坐標越近的測點其振動參數(shù)的峰值較大。閘門順水流振動的主要原因是閘后水流的漩渦，其幅值的大小是由閘下水流的平均流速與湍動能決定的。

(2) 從測試時間段內(nèi)得到的振動信息看，每種流動速度下都捕捉到了高位移出現(xiàn)的瞬間，但這種瞬間的高位移振動持續(xù)時間較短。工況5下，F(xiàn)FT變換后的頻譜曲線可得出：平面直升閘門的振動加速度、速度以及位移達到峰值的頻率基本都集中在185.5 Hz～380.9 Hz。

(3) 對同一測點，隨著閘下水流平均流速的增加，振動加速度、速度以及位移的峰值都是沿著水流正方向或水流負方向逐步增加的。

(4) 閘門底緣附近振動的幅度與閘門開度密切相關(guān)，閘門開度達到一定值后，對閘門振動已無較大的影響。

(5) 為減小閘門振動的幅度，經(jīng)試驗分析：可減小過閘水流的平均流速；增加閘門開度；改變閘后淹沒出流的流態(tài)；增加閘門的剛度等措施。

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Model tests for synchronous measurement of fluid-structure interaction vibration of a plane vertical lift gate

SHEN Chunying1，2, HE Shihua1, YANG Tingting1, WANG Wei2

(1. College of Electrical Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China；2. State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The synchronous measurement of flow field distribution after a vertical lift gate and gate vibrating parameters under the condition of submerged discharge at the same time was conducted based on the three-dimensional PIV technique and the multi-channel vibrating data acquisition system . The results showed that when vortexes along the flow direction approach the gate under the same working condition, the vibrating displacements along this direction reach the maximum value, and peak value is 3～4 times higher than the average vibrating displacement,the closer the measuring point near the ordinate of the vortex center, the larger the peak of vibrating parameters;with increase in the average velocity and turbulent kinetic energy of water flow under the gate, the peak values of the vibrating acceleration, velocity and displacement of the same measuring point increase gradually along the positive direction or negative direction of flow;the gate vibrating amplitude near the gate-bottom is closely related to the gatage, when the gatage reaches a certain value, it has no obvious influence on the gate vibration.The test conclusions provided a basis for exploring the mechanism of the gate vibration.

synchronous measurement;fluid-structure interaction vibration;model test; vertical lift gate;vortex flow

國家自然科學基金(51369013);昆明理工大學人培基金(KKZ3201304016)

2015-11-30 修改稿收到日期：2016-01-20

沈春穎 女，博士生，實驗師，1982年生

何士華 男，博士，教授，1963年生

TV131

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.036