基于Fluent-Abaqus的水利工程閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

龐敏敏

（山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)行政審批服務(wù)局涉農(nóng)事務(wù)科，山東 臨沂276000）

1 引言

作為重要的水工結(jié)構(gòu)，平面鋼閘門設(shè)計方案關(guān)乎著水資源的安全調(diào)度，研究平面鋼閘門最佳設(shè)計方案有助于提升水閘等水利設(shè)施安全運(yùn)營水平。在一些水利樞紐工程中，平面鋼閘門適用性較佳，可為泄洪以及水工隧洞提供重要水資源通道，為水利樞紐工程運(yùn)行提供安全保障[1-2]。目前，已有一些學(xué)者或水利工程師基于工程現(xiàn)場安裝監(jiān)測傳感器，根據(jù)長期工程現(xiàn)場實地分析，探索閘門等水工結(jié)構(gòu)在長期運(yùn)營過程中流場以及應(yīng)力變形變化，為評估水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定狀態(tài)提供重要參考[3-4]。當(dāng)然，也有一些學(xué)者在室內(nèi)建設(shè)水工模型，以室內(nèi)水工模型試驗所獲得試驗數(shù)據(jù)開展分析，為實際工程設(shè)計提供重要參照依據(jù)[5-6]?；谟嬎懔黧w力學(xué)理論與流固耦合場理論，利用有限元軟件，綜合分析水工結(jié)構(gòu)流場與結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性[7]，進(jìn)而為探討實際水利樞紐工程中水工結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。

2 計算理論與工程概況

2.1 計算理論

水閘內(nèi)水流的三維流體運(yùn)動，服從下式

式中，ui指流場中某方向的流速矢量；xi指流場中某質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)。

含雷諾應(yīng)力的N-S方程為[8-9]

式中，fi指流場中某方向上的質(zhì)量力；ui指某質(zhì)點(diǎn)的流速值指雷諾應(yīng)力值。

標(biāo)準(zhǔn)簡單的耗散能-湍動能表述雷諾應(yīng)力解，表達(dá)式為

湍流運(yùn)動粘度系數(shù)為

式中，Cμ指常數(shù)。

該模型方程中水流運(yùn)動輸送式可為

式中，C1ε、C2ε、C3ε指水流運(yùn)動常數(shù)；σk、σε指角標(biāo)對應(yīng)的Prandtl常數(shù)；Sk、Sε指可變常量。

流固耦合場運(yùn)動方程為

式中，r指邊界處阻抗系數(shù)。

故可得到流固場中流固耦合作用方程式為

基于上式流固耦合場方程求解，進(jìn)而可獲得在動力響應(yīng)下過閘流體流場影響特征。

2.2 工程概況

某水利樞紐工程為區(qū)域內(nèi)重要水資源調(diào)度設(shè)施，面向區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源、工業(yè)用水以及城鄉(xiāng)生活用水等方面，其中可灌溉農(nóng)田面積超過800km2，在枯水季甚至可提升農(nóng)業(yè)灌溉效率12%，為地區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供重要水資源推動力。該水利樞紐工程中大壩軸線長度約為150m，采用大面積混凝土澆筑形成，壩頂高程為256.5m，上下游坡度分別為1/2.5、1/3；泄洪閘所在下游段設(shè)置有消力池，池內(nèi)設(shè)置有消力坎，減少泄洪狀態(tài)下水流對水利工程沖刷磨損。水電站進(jìn)水塔按照Ⅰ級水工結(jié)構(gòu)設(shè)計，攔污柵排墩的連系梁均架設(shè)有多排式橫、縱梁，整個水利樞紐工程結(jié)構(gòu)靜、動載下安全穩(wěn)定性均較高。在該水利樞紐工程中設(shè)置有一平面鋼閘門，作為農(nóng)業(yè)灌區(qū)輸水渠道連通設(shè)施，閘門精確控制開度，保證通閘流量滿足輸水渠道渠首流量要求，設(shè)計渠首流量為0.65m3/s?，F(xiàn)該水閘開度為0.2m，上游進(jìn)口段流速為10m/s，且上、下游水流處于飽壓狀態(tài)，此時需研究閘門在上下游飽壓條件下通行水流水力特性，進(jìn)而評價水閘流場狀態(tài)。

3 閘門二維流場分析

3.1 模型建立與工況研究

在前述理論分析與工程資料分析基礎(chǔ)上，設(shè)定閘門底部結(jié)構(gòu)設(shè)計與上下游不同傾角參數(shù)為研究對比方案，1號方案為平底式閘門；2號方案上、下游傾角分別為 45°、30°；3號方案上、下游傾角分別為60°、30°；4 號方案上、下游傾角分別為 60°、45°；閘門底緣剖面圖如圖1所示，該圖表示了2號方案結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 閘門底緣剖面示意圖

以UG軟件建立數(shù)值模型后，以四邊形單元體作為模型劃分網(wǎng)格基本單元，模型劃分后，網(wǎng)格質(zhì)量為0.98，滿足模擬計算要求，共獲得單元網(wǎng)格數(shù)23678個，節(jié)點(diǎn)數(shù)21082個，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型圖

3.2 流場特征分析

利用Fluent軟件計算獲得各工況下閘門二維狀態(tài)的流場特征參數(shù)，圖3為Fluent計算出的四個研究方案閘門流線云圖。從圖中可看出，閘門底緣為平底時，流線最大流速為8.52m/s，且出閘門后水流水頭相比其他3個具有傾角設(shè)計方案均有一定程度降低，對比其他3個傾角設(shè)計方案，平底式水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計其流線較密集，表明平底式水閘內(nèi)部流場處于較活躍狀態(tài)。2號方案流線最大流速值相比平底式設(shè)計方案降低了6.7%，在3、4號方案中流線最大流速值相比1號方案亦是降低。分析表明，當(dāng)閘門底緣設(shè)置有一定傾角時，一定程度上可緩沖上游高流速對閘門沖擊效應(yīng)。2～4號方案流線分布處于相似狀態(tài)，但底緣相同上游傾角時，下游傾角愈大者，其下游流線分布愈接近水面線；當(dāng)?shù)拙壪嗤掠蝺A角時，上游傾角愈大者，則流速值愈大，且?guī)娱l門內(nèi)中部區(qū)域流速分布較大，3號方案閘門內(nèi)中部流速約為4.25m/s，相比2號方案增大了7.1%。

圖3 閘門流場流線圖

各方案下速度矢量分布形態(tài)基本一致，本文以3號方案不同時間段流速矢量分布開展分析，如圖4所示。從速度矢量分布可知，經(jīng)過閘門后，水流運(yùn)動均沿底部運(yùn)動，隨時間推移，底部流速亦逐漸由靠近閘門側(cè)大流速逐漸過渡至低流速。另一方面，從圖中亦可看出，經(jīng)過閘門底緣后，流場內(nèi)出現(xiàn)漩渦回流，t=0.05s時，漩渦回流靠近閘門；在t=0.5s時，漩渦回流逐漸消失，流場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 流速矢量分布圖（3號方案）

圖5為1號、3號方案閘門頂部與底部監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線，從圖中可知，平底式設(shè)計方案（1號）在閘門底部具有負(fù)壓強(qiáng)，底部壓強(qiáng)均低于頂部頂部最大壓強(qiáng)達(dá)97.16kPa，而底部最大壓強(qiáng)相比前者降低了31.9%；從整體變化趨勢來看，閘門內(nèi)流場頂部壓強(qiáng)變化為先增后減，而底部壓強(qiáng)持續(xù)降低態(tài)勢，3號方案底部壓強(qiáng)從0.6～2s時，降低幅度為0.7%。分析表明，負(fù)壓強(qiáng)的存在會造成閘門運(yùn)行時水流紊亂，影響閘門運(yùn)營壽命，應(yīng)盡量避免流場內(nèi)負(fù)壓強(qiáng)涉及，因此，閘門平底式設(shè)計方案不可取。

圖5 閘門頂、底部監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線（左、右圖分別為頂部、底部）

4 閘門三維流固耦合分析

4.1 建模及計算參數(shù)

針對流固耦合三維場開展計算分析，利用UG建模軟件構(gòu)建三維幾何模型，如圖6（a）所示，以六面體單元作為劃分微單元體，水流與閘門相接觸界面設(shè)定為流固耦合面。動力粘度系數(shù)設(shè)定為0.001Pa·s，閘門材料密度值設(shè)定為 7.85g/cm3，劃分出網(wǎng)格單元數(shù)12842個，節(jié)點(diǎn)數(shù)61286個，劃分網(wǎng)格單元后模型如圖6（b）所示。

圖6 三維流固耦合場數(shù)值模型

4.2 流場特征分析

基于Fluent軟件求解獲得流場特征參數(shù)，圖7為閘門4種底緣設(shè)計方案下流場壓力分布狀況。從圖中可看出，平底式閘門設(shè)計下閘門內(nèi)具有顯著負(fù)壓，與前述分析為一致，而另3種設(shè)計方案中負(fù)壓現(xiàn)象得到顯著改善，提升了閘門內(nèi)流場安全性；對比4種設(shè)計方案下最大壓強(qiáng)可知，同一時刻最大壓強(qiáng)仍以平底式設(shè)計為最大，其最大壓強(qiáng)可達(dá)2.99MPa，2號方案最大壓強(qiáng)僅為前者的84.3%。

圖7 流場壓力分布

2～4號方案流速分布矢量圖具有相近之處，故而本文以2號方案速度矢量圖開展分析，如圖8所示分別為閘門不同截面處速度矢量分布。閘門對上部流速影響較大，底部流速量值處于較高水平，且底部流速方向與上部流速方向相反，此與二維流場計算一致。

圖8 閘門不同截面處速度矢量分布

4.3 結(jié)構(gòu)特征分析

針對結(jié)構(gòu)特征，以不同上游流速作為研究參照物，獲得兩種工況下各設(shè)計方案結(jié)構(gòu)特征參數(shù)應(yīng)力值結(jié)果，如圖9所示。從圖中可知，上游流速10m/s時最大拉應(yīng)力為2.198MPa，乃是1號方案，不僅其拉壓應(yīng)力較大，其壓應(yīng)力亦是該工況下4個設(shè)計方案中最大值，達(dá)0.576MPa，其他3個方案壓應(yīng)力最大值基本接近1號方案。等效應(yīng)力中2號方案最大值為1.533MPa，而1號方案相比前者增大了9.2%，分析表明雖工況一拉應(yīng)力值均處于材料允許范圍，但1號方案過大的拉應(yīng)力對閘門安全運(yùn)行是較大的挑戰(zhàn)。當(dāng)上游輸送流速增大至20m/s后，1號方案中最大拉應(yīng)力增大了3.2倍，達(dá)9.176MPa，不僅1號方案流速增大，在2～4號方案中流速均有較大幅度增大，其中以2號方案等效應(yīng)力最小，為6.05MPa。綜上閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征來看，2號方案第一主應(yīng)力最小，應(yīng)力分布較穩(wěn)定，屬較佳設(shè)計。

圖9 各設(shè)計方案結(jié)構(gòu)特征參數(shù)應(yīng)力結(jié)果

圖10為兩種工況下各設(shè)計方案中閘門結(jié)構(gòu)變形特征。從圖中可知，工況一總變形最大為4號方案，達(dá)0.934mm，2號方案總變形最低，僅為前者84%；另閘門垂直方向變形量值亦是以2號方案為最低，僅為0.058mm，分析表明2號設(shè)計方案在閘門振動作用下，變形影響較小。當(dāng)上游流速增大至20m/s后，各設(shè)計方案中變形值均有較大幅度提高，其中1號平底式設(shè)計方案中總變形增大了3.2倍，此時總變形仍以2號方案為最低，Z軸變形亦是最低，為3.47mm，1號平底式設(shè)計方案Z軸變形相比前者增大了6.6%。綜合分析表明，即使上游流速增大，2號設(shè)計方案閘門結(jié)構(gòu)變形仍為最低。

圖10 各設(shè)計方案中閘門結(jié)構(gòu)變形特征

5 結(jié)論

（1）通過研究得出平底式設(shè)計下流速最大，達(dá)8.52m/s，且該方案具有負(fù)壓強(qiáng)，流場頂部壓強(qiáng)為先增后減變化，而底部壓強(qiáng)持續(xù)降低態(tài)勢；3號方案具有漩渦回流，并逐漸向下游移動，在0.5s后回流消失，流場趨于穩(wěn)定。

（2）通過研究得出流固耦合下平底式閘門流場具有顯著負(fù)壓，其最大壓強(qiáng)達(dá)2.99MPa，2號方案最大壓強(qiáng)僅為前者的84.3%；閘門底部流速方向與上部流速方向相反。

（3）通過研究得出2號方案拉應(yīng)力最低，其等效應(yīng)力為1.533MPa，1號方案等效應(yīng)力相比前者增大了9.2%；上游流速增大，2號方案等效應(yīng)力與剪應(yīng)力仍為最小，第三強(qiáng)度理論知2號方案下較安全；結(jié)構(gòu)變形仍印證了2號方案設(shè)計最佳。