平面鋼閘門自由出流流固耦合數(shù)值模擬

萬(wàn)宇飛 楊光明 郭軍良

摘 要：針對(duì)某露頂式平面鋼閘門自由出流下水動(dòng)力特性及閘門動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，基于ANSYS Workbench平臺(tái)的Fluent流體分析模塊及Static Structural固體結(jié)構(gòu)分析模塊，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)采用VOF法捕捉閘門開啟過(guò)程時(shí)自由表面流，獲得了閘門開啟過(guò)程中瞬時(shí)流速、動(dòng)水壓力、湍動(dòng)能的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。同時(shí)，考慮動(dòng)水壓力變化，進(jìn)行水流-閘門的單向流固耦合數(shù)值模擬，閘門應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)程變化規(guī)律表明：閘門起吊時(shí)各構(gòu)件最大等效應(yīng)力大于起吊前的;開啟過(guò)程中，各項(xiàng)最大應(yīng)力隨時(shí)間非線性減小;最大應(yīng)力值及最大變形主要集中在底部主橫梁靠近中間縱梁區(qū)域。

關(guān)鍵詞：平面鋼閘門;動(dòng)水開啟;水動(dòng)力特性;流固耦合;應(yīng)力應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TV663+.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.023

Abstract： In view of the hydrodynamic characteristics and dynamic response of free flow out of a top emersed top steel gate， basing on the Fluent fluid analysis module and the Static Structural solid structure analysis module of ANSYS Workbench platform， the free surface flow of gate opening was captured by the dynamic grid technology and VOF method， then， the occurrence and development process of instantaneous velocity， dynamic water pressure and turbulent kinetic energy under the gate opening were obtained. At the same time， considering the change of the dynamic water pressure， the numerical simulation of unidirectional fluid-solid coupling of the water gate was carried out. The law of the stress and strain term changes indicates that the maximum equivalent stress of gate members after lifted is greater than that in normal water retaining condition; the maximum stress decreases with the opening time; the maximum stress value and deformation are mainly concentrated on the areas of bottom main beams near the middle longitudinal beam.

Key words： plane steel gate; gate opening; hydrodynamic characteristic; fluid-structure interaction; stress and strain

水工鋼閘門的安全運(yùn)行至關(guān)重要，閘門開啟過(guò)程中以及固定開度下泄流時(shí)閘下流體的不穩(wěn)定性很容易引起閘門的空蝕和振動(dòng)。其中，平面閘門動(dòng)水啟閉的水動(dòng)力特性復(fù)雜，是水工閘門設(shè)計(jì)、研究的難點(diǎn)[1-3]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法因避免了原型觀測(cè)方法費(fèi)用高、條件受限等問(wèn)題，無(wú)模型試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)等，而在閘門動(dòng)水啟閉研究方面得到了廣泛應(yīng)用[4]。如沙海飛等[5]采用網(wǎng)格變形與結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)了動(dòng)網(wǎng)格對(duì)閘門開啟過(guò)程非恒定流的數(shù)值模擬，得到了不同開啟速度下的水動(dòng)力特性;章晉雄[6]結(jié)合平面事故閘門動(dòng)水關(guān)閉的水力學(xué)模型試驗(yàn)，用數(shù)值模擬方法分析了平面閘門動(dòng)水關(guān)閉的水動(dòng)力荷載;訾娟[7]對(duì)平面、弧形閘門啟閉過(guò)程中的動(dòng)水啟閉力做了研究;馬崢等[8]對(duì)三峽船閘末級(jí)閘首閥門段輸水廊道水流狀態(tài)進(jìn)行了二維、三維數(shù)值模擬，比較不同開啟速率和一定開度下緊急閉門時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)變化;楊婷婷等[9]針對(duì)不同開度下泄流的平面閘門進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)RND k-ε湍流模型和VOF法，獲得了閘門周圍流場(chǎng)壓力、流速、湍動(dòng)能的變化規(guī)律。而針對(duì)平面閘門動(dòng)水開啟兩相流數(shù)值模擬方面的研究較少。筆者在前人研究固定開度下水動(dòng)力特性及流固耦合特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了閘門開啟動(dòng)態(tài)過(guò)程的水力分析，并首次嘗試閘門開啟過(guò)程的單向流固耦合模擬，得到了閘門應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

1 動(dòng)網(wǎng)格與自由表面流VOF模型

1.1 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)要點(diǎn)存在兩大問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)方式的描述以及網(wǎng)格的再生[10-11]。

定義物體部件的運(yùn)動(dòng)時(shí)常用速度進(jìn)行表達(dá)。速度定義方式分為兩種類型：一是顯式定義，部件為主要運(yùn)動(dòng)，即給定運(yùn)動(dòng)部件的速度;二為隱式定義，無(wú)法直接獲得速度，通過(guò)牛頓定律計(jì)算得到，又稱被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。閘門運(yùn)動(dòng)則采用顯式定義。

動(dòng)網(wǎng)格算法主要用來(lái)計(jì)算內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的調(diào)節(jié)，在FLUENT中有鋪層、彈性光滑、局部重構(gòu)三種算法。其中動(dòng)態(tài)鋪層方法適用于邊界線性運(yùn)動(dòng)和四面體、六面體或三棱柱網(wǎng)格。本文流體計(jì)算域即采用六面體網(wǎng)格和動(dòng)態(tài)鋪層法處理網(wǎng)格問(wèn)題。

1.2 VOF自由表面流數(shù)學(xué)模型

閘門開啟過(guò)程中，閘后流動(dòng)區(qū)域水、氣互不相溶，屬于水氣兩相分層流動(dòng)，采用VOF法能處理自由表面流的非線性變形問(wèn)題，該方法計(jì)算量小且簡(jiǎn)易可行[12]。

2 三維建模與求解設(shè)置

2.1 工程實(shí)例

以某水利工程露頂式泄洪閘平面工作閘門為研究對(duì)象。梁格采用等高布置，閘門底檻高程為42.60 m。主橫梁和邊、縱梁均為T形截面梁，其中：主橫梁4根，編號(hào)1#～4#;小橫梁為18號(hào)槽鋼，共3根，編號(hào)1#～3#（從上到下）;邊梁4根，縱梁1根，編號(hào)1#～5#（從左到右）。

工作閘門材料為Q235，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.85×103 kg/m3。閘門與啟閉機(jī)的主要工作參數(shù)見表1。

2.2 流體模型

2.2.1 建模及網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD中完成流體的建模及網(wǎng)格劃分，采用速度入口，有流量進(jìn)入。如果閘前水體較少，則容易引起閘前水位劇烈波動(dòng)，實(shí)際上閘前水體巨大，即使開閘，閘前水位變化也不大，取較長(zhǎng)的流體計(jì)算域即模擬這種情況，故取閘前水體長(zhǎng)度為110 m，同時(shí)閘后計(jì)算域長(zhǎng)度為20 m[13]。以順流道中心面建立對(duì)稱模型，模型寬度為1.73 m，高度取8 m。坐標(biāo)系以順?biāo)鞣较驗(yàn)閤軸，豎直向上為y軸，流道側(cè)面指向中心面的方向?yàn)閦軸。閘門面板位置x=10 m。

為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，對(duì)模型閘門區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密，建模時(shí)把閘門附近流體單獨(dú)分離作為Part1劃分網(wǎng)格，此區(qū)域前后流體作為Part2劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格單元總數(shù)為840 465個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為901 240個(gè)。流體計(jì)算域如圖1所示，閘門區(qū)網(wǎng)格局部放大見圖2。

2.2.2 計(jì)算條件設(shè)置

設(shè)置計(jì)算域水流進(jìn)口為速度入口，入流速度為0.5 m/s，空氣進(jìn)口面為對(duì)稱邊界，出口面設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力為0，流道底面和閘門表面均為固壁邊界條件，其余側(cè)面及頂部邊界設(shè)為對(duì)稱邊界。壁面函數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，求解器選擇基于壓力的分離式求解器，算法采用PISO算法[14]。

在FLUENT動(dòng)網(wǎng)格流場(chǎng)計(jì)算中，固體區(qū)域被視為剛體，用包圍固體運(yùn)動(dòng)域的邊界來(lái)表示固體，閘門即是如此。用Profile文件來(lái)定義邊界運(yùn)動(dòng)，初始條件為閘門關(guān)閉。

2.3 閘門模型

閘門模型在Design Modeler中建立。閘門開啟過(guò)程中，在吊耳處施加豎直方向的約束，在滾輪處施加水流方向的約束，面板處施加寬度方向的約束;閘門關(guān)閉時(shí)，在閘門底部施加豎向位移約束，滾輪處施加水流方向的約束，面板處施加寬度方向的約束。

使用Automatic對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格尺寸選用30 mm×30 mm，吊耳孔、主輪軸孔處進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，劃分單元總數(shù)為81 655個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為219 498個(gè)。完整的閘門模型如圖3所示。

3 閘門開啟過(guò)程水動(dòng)力特性分析

3.1 瞬態(tài)流速分布

瞬態(tài)流速分布規(guī)律：水流最大流速隨開啟時(shí)間而逐漸減小，最大流速出現(xiàn)的范圍由閘門底緣附近逐漸向流道后部轉(zhuǎn)移。水流Vm時(shí)程曲線見圖4。

3.2 流場(chǎng)壓力分布

動(dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律：各時(shí)刻動(dòng)水壓強(qiáng)最大值均出現(xiàn)在閘門底緣后方，動(dòng)水壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)與水流速度的變化趨勢(shì)一致，水流速度越大的地方動(dòng)水壓強(qiáng)也越大。隨著開度的增加動(dòng)水壓強(qiáng)最大值所在區(qū)域向流道后方轉(zhuǎn)移，且動(dòng)水壓強(qiáng)大于零的區(qū)域緩慢向閘前水體擴(kuò)展，底止水前下方區(qū)域固定位置處動(dòng)水壓強(qiáng)隨時(shí)間緩慢增大。

隨著閘門的開啟，面板動(dòng)壓力先呈拋物線形增加，在t=11.26 s達(dá)到最大值3 877.57 N，隨后逐漸下降，在t=20 s左右動(dòng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)，并在波動(dòng)中逐漸下降，原因是t=20 s左右閘前水面處出現(xiàn)旋渦和涌浪。到達(dá)t=33 s左右，動(dòng)壓力逐漸減為0，原因是此時(shí)閘門底緣脫離水面，水體不再對(duì)閘門構(gòu)成影響。面板動(dòng)壓力時(shí)程監(jiān)測(cè)曲線見圖5。

3.3 湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能分布規(guī)律：自由出流下湍動(dòng)能較大的區(qū)域主要發(fā)生在水氣交界面的氣體區(qū)域，水體中最大湍動(dòng)能不超過(guò)0.5 J/kg且逐漸向后移動(dòng)，數(shù)值逐漸減小，對(duì)閘門區(qū)的影響不大。圖5 面板動(dòng)壓力時(shí)程曲線

4 閘門結(jié)構(gòu)分析

4.1 單向流固耦合設(shè)置

本文采用FLUENT軟件和Static Structural模塊分別對(duì)流體部分和固體部分進(jìn)行計(jì)算分析，在計(jì)算閘門開啟全過(guò)程流場(chǎng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，提取多個(gè)時(shí)刻流體分析結(jié)果，作為閘門結(jié)構(gòu)分析的表面荷載，完成閘門單向流固耦合分析。

自由出流情況下閘門和水體接觸的面為面板，故設(shè)面板為流固耦合面。計(jì)算前，將閘門模型位置調(diào)整至流體中閘門相對(duì)應(yīng)的位置，以便面板水壓力傳遞。

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

提取閘門開啟過(guò)程中t=0、1、5、10、15、20、25 s時(shí)流體計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分析。其中t=0 s時(shí)分為兩種工況：一是啟閉機(jī)未啟動(dòng);二是啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門開始脫離地面。兩種工況分別設(shè)為0-s、0+s，以下均將t=0+s工況值賦值于t=0 s工況進(jìn)行作圖。

4.2.1 面板應(yīng)力分析

面板最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線見圖6。

（1）t=0-s工況最大等效應(yīng)力為102.74 MPa，t=0+s工況最大等效應(yīng)力為109.49 MPa，增大了6.6%左右。閘門在剛剛開啟時(shí)，面板等效應(yīng)力突增，隨著閘門的開啟，面板最大等效應(yīng)力呈非線性減小趨勢(shì)。

（2）各工況下最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置多數(shù)在4#主橫梁（底主梁）與底緣靠近3#縱梁的肋板交界處。主要原因是此處各構(gòu)件相互連接，受力復(fù)雜，動(dòng)水情況下閘前水壓力并非如靜水壓力那樣為線性分布，靠近底緣的水流速度逐漸增大，導(dǎo)致靜壓減小。

4.2.2 主橫梁應(yīng)力分布

主橫梁應(yīng)力絕對(duì)值時(shí)程曲線見圖7。

（1）t=0-s工況最大等效應(yīng)力為67.62 MPa，t=0+s工況最大等效應(yīng)力為72.65 MPa，t=0+s工況比t=0-s工況主橫梁等效應(yīng)力增加7.4%。閘門剛剛開啟時(shí)受力條件的變化使主橫梁等效應(yīng)力突增，主橫梁應(yīng)力隨時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)。

（2）等效應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在3#、4#主橫梁上，隨著閘門的開啟，1#主橫梁靠近吊耳處應(yīng)力相對(duì)值逐漸增大。

4.2.3 縱 梁

縱梁應(yīng)力絕對(duì)值時(shí)程曲線見圖8。

（1）t=0-s工況最大等效應(yīng)力為54.86 MPa，t=0+s工況最大等效應(yīng)力為56.82 MPa。隨后應(yīng)力最大值逐漸減小，其中等效應(yīng)力和x向正應(yīng)力減小幅度較大，剪應(yīng)力和y向正應(yīng)力減小幅度較小。

（2）t=0+s工況和t=0-s工況等效應(yīng)力的分布相似。閘門開啟過(guò)程中t=1 s到20 s時(shí)等效應(yīng)力的分布均一致，最大等效應(yīng)力的位置也一樣，均處在3#縱梁在3#、4#主橫梁之間部分的中間位置。t=25 s時(shí)，最大等效應(yīng)力轉(zhuǎn)移到3#縱梁頂部位置，原因在于此時(shí)開度較大，水壓力較小，重力成為影響內(nèi)力的主要因素。

4.3 結(jié)構(gòu)變形分析

繪制各時(shí)間工況下閘門結(jié)構(gòu)變形云圖，其中t=0-s工況下閘門變形云圖見圖9。

各時(shí)間工況下閘門結(jié)構(gòu)最大變形見表2。

t=0+s工況與t=0-s工況相比，閘門變形量相同，均為2.58 mm，說(shuō)明閘門剛剛開啟時(shí)受力條件的變化對(duì)閘門變形沒(méi)有影響，此后各工況下變形量逐漸減小。閘門最大變形量所在的位置在3#、4#主橫梁與靠近3#縱梁的面板區(qū)格的中心位置。閘門開啟過(guò)程中結(jié)構(gòu)最大變形的分布位置保持不變，可以對(duì)該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

針對(duì)某露頂式平面閘門開啟過(guò)程自由出流的非恒定流問(wèn)題，兼容使用動(dòng)網(wǎng)格與VOF模型進(jìn)行三維仿真模擬，得到了流速、壓力、湍動(dòng)能時(shí)程分布規(guī)律，在定性上是可信的。

水體-閘門的單向流固耦合分析結(jié)果表明：閘門剛剛起吊時(shí)等效應(yīng)力大于起吊前;隨著時(shí)間變化，應(yīng)力呈非線性減小趨勢(shì);各構(gòu)件應(yīng)力最大值及最大變形區(qū)域主要集中在3#、4#主橫梁之間靠近3#縱梁的梁格區(qū)域，且分布區(qū)域隨時(shí)間變化不大。

本文建模時(shí)沒(méi)有考慮門槽的影響，實(shí)際上水流從閘門底緣靠近邊梁處射出后，會(huì)急劇側(cè)向擴(kuò)散，在門槽中形成旋渦，且在下游邊壁處產(chǎn)生脫壁分離，該現(xiàn)象對(duì)閘門的影響還需深入研究。

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【責(zé)任編輯 張華巖】