運行工況下弧形鋼閘門不同底緣型式對比優(yōu)化研究

蓋浩瑞

(萊陽市勘察工程隊， 山東 煙臺 265200)

1 工程背景

某水庫是一座兼有防洪、灌溉、供水、養(yǎng)殖等諸多功能的大型骨干水庫，水庫大壩為混凝土重力壩壩型設(shè)計，主要由擋水壩段、溢流壩段和電站壩段組成。其中，溢流壩段頂部高程為87.8m，頂部寬度1.5m，溢流堰高程67.5m。溢流壩閘門為高19.7m，寬度為14.0m的弧形鋼閘門。閘門的面板厚度為26mm。為了提高閘門的剛度和整體性，閘門的梁系采用實腹式等高連接和降低連接，其結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼材，彈性模量為206GPa，重度為78.5 kN/m3，泊松比為0.3。顯然，弧形閘門在泄水過程中，其底緣部分會起到十分關(guān)鍵的作用，對流態(tài)和壓強產(chǎn)生十分明顯的影響，而不當(dāng)?shù)牡拙壴O(shè)計則會對閘門的正常運行不利[1]?；诖?，此次研究力求通過數(shù)值模擬的方法，進行不同底緣型式的對比研究，以獲取最佳的底緣型式設(shè)計方案。

2 ANSYS有限元模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

結(jié)合研究對象的特點和研究需要，對常用的有限元軟件進行對比分析，確定采用ANSYS有限元軟件進行計算模型的構(gòu)建。該軟件提供了直接建模、幾何建模以及混合建模三種不同的建模方式[2]。其中，幾何建?？墒褂枚喾N幾何圖素，支持組合運算、布爾運算等多種有限元模型不能直接實現(xiàn)的操作，修改幾何參數(shù)、網(wǎng)格密度和單元類型十分方便，適合3D實體結(jié)構(gòu)和多方案對比研究，因此采用該建模方法[3]。

由于此次研究針對閘門開啟運行工況下的水力特征對比研究，因此設(shè)定模型的計算范圍為閘門的上游200m，下游100m。模型的高度為40m。鑒于弧形鋼閘門的形狀特點，采用柱面坐標(biāo)系進行幾何建模[4]。具體順序為：首先建立一條閘門面板曲線，在建立的曲線上找到橫梁的位置，也就是按照橫梁間的弧線進行分段處理；然后，根據(jù)縱梁和面板曲線的垂直間距，利用已知曲線生成所有的縱梁，連接縱梁的關(guān)鍵點即生成所有的橫梁以及面板的頂輪廓線和底輪廓線；最后，由左右兩條曲線的邊和頂輪廓線及底輪廓線形成面，也就是弧形鋼閘門的面板，確定支臂的鉸點坐標(biāo)，其與主橫梁、縱梁交點的連線即為支臂[5]。

由于弧形鋼閘門的面板厚度較小，因此存在十分明顯的幾何非線性效應(yīng)，而鋼材本身也是一種典型的塑性材料。因此，在模型單元劃分過程中，閘門的門葉和支臂全部離散為板殼單元，利用Shell63 模擬[6]。模型的其余部分則使用 Solid45 單元模擬。經(jīng)過有限元網(wǎng)格劃分，整個模型結(jié)構(gòu)離散成 14154 個單元、13426 個節(jié)點，其中，弧形鋼閘門的有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 弧形鋼閘門三維有限元模型示意圖

2.2 計算荷載與邊界條件

模型計算的邊界條件設(shè)置為：將模擬計算區(qū)域的進口設(shè)置為速度進口，出口邊界設(shè)置為壓力邊界條件，閘門部位的側(cè)壁和底板設(shè)定為無滑移固體邊界條件，上部與空氣接觸的頂面設(shè)置為對稱面。結(jié)合相關(guān)研究成果，模型底板和邊墻的糙率設(shè)定為0.008。結(jié)合工程的實際設(shè)計參數(shù)，研究中針對閘門開度6.0m，流量160m3/s的最不利工況進行計算分析。

2.3 計算方案

結(jié)合工程實際和前人的研究成果，設(shè)計了平底底緣(方案1)；傾角為45°的前傾式底緣(方案2)；傾角為45°的后傾式底緣(方案3)3種地緣設(shè)計型式，進行數(shù)值模擬分析，對比分析不同方案下的水深、時均壓強和脈動壓強，以獲得最佳設(shè)計方案。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 水深

針對3種不同的底緣設(shè)計方案，利用構(gòu)建的有限元模型，對鋼閘門運行工況下的上下游水位高度進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出的閘門上下游水位變化曲線如圖2所示。由圖2可知，在其他條件相同時，3種方案的弧形鋼閘門上下游水深的變化規(guī)律基本一致，閘前水流平穩(wěn)推進，在到達閘門時由于受到阻擋作用，呈現(xiàn)出一定的水面雍高，在經(jīng)過閘門之后，水位高度迅速降低并逐漸趨于平穩(wěn)。從水位的上下游差來看，水位差最大的為方案3，其次為方案1，最小的為方案2。同時，方案1和方案3的閘前水流波動性比較明顯，說明水流流態(tài)相對不佳，而方案2的閘前水流波動性最小，說明水流流態(tài)良好。總之，鋼閘門采用前傾式底緣設(shè)計時，上下游的水位差最小，且水流比較平順，流態(tài)良好，對閘門的安全運行最為有利。

圖2 不同方案上下游水深變化曲線

3.2 面板時均壓強

針對3種不同的底緣設(shè)計方案，利用構(gòu)建的有限元模型，對鋼閘門運行工況下的面板時均壓強進行模擬計算，在計算結(jié)果中選擇7個關(guān)鍵測點，繪制出的面板時均壓強變化曲線如圖3所示。測點均位于上游面板，在閘門面板的中線由下向上布置，其中，每兩個測點之間的弧面距離均為3m。由圖3可知，在其他條件相同時，弧形鋼閘門面板的時均壓強呈現(xiàn)出由底緣向上部逐漸減小的變化特點。從不同計算方案的對比來看，方案3相同高程部位的時均壓強值最大，方案1次之，方案2最小。由于不同計算方案在其他條件相同時的閘前水深不同，而時均壓強又和閘前水深有密切的關(guān)系。因此時均壓強值的大小與閘前水深的大小之間存在相同的變化特點?？傊桨?條件下的閘門面板時均壓強值最低，且變化比較穩(wěn)定，為3種計算方案中的最佳方案。

圖3 面板時均壓強變化曲線

3.3 脈動壓強

脈動壓強是水工建筑物水力學(xué)特征研究領(lǐng)域的重要問題，此次研究中選擇與時均壓強相同的測點位置，從數(shù)值計算結(jié)果中選擇各個典型點位的脈動壓強計算結(jié)果，繪制出的脈動壓強變化曲線如圖4所示。由圖4可知，3種不同計算方案下的脈動壓強呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，均為0m測點部位的脈動壓強較大，然后隨著高程的增加，脈動壓強值也不斷減小，在達到水面高度部位時，脈動壓強值又有所增大，然后進一步減小為0。究其原因，主要是水面部位由于受到閘門的阻水作用，水流產(chǎn)生明顯的波涌，對閘門面板產(chǎn)生拍打現(xiàn)象。由于方案3的水面流態(tài)不佳，水流在閘門前的雍高現(xiàn)象比較明顯，因此對閘門的拍打現(xiàn)象也比較劇烈，因此造成該方案下的脈動壓強值在水面部位較大?？傊瑥拿}動壓強計算結(jié)果來看，方案2的脈動壓強值相對較小且變化比較平穩(wěn)，對閘門運行的安全穩(wěn)定最為有利。

圖4 脈動壓強變化曲線

4 結(jié)語

目前，關(guān)于閘門底緣型式的問題，業(yè)界學(xué)者進行了諸多研究和探索，同時也給出了一些具體的研究成果和工程設(shè)計建議，但是當(dāng)前的大部分研究以平面鋼閘門為例。本次研究主要針對弧形鋼閘門的底緣型式展開，研究了不同底緣型式對閘門水力特征的影響。研究結(jié)果顯示，后傾角低緣型式下，閘門上游的水位雍高較大，水流流態(tài)不平穩(wěn)，會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的拍打面板現(xiàn)象，不利于閘門的安全運行。前傾角底緣型式下，閘門上游的水位雍高最小，水流流態(tài)最為平穩(wěn)，對閘門的安全運行最為有利，而平底底緣設(shè)計則介于上述兩者之間，因此在工程設(shè)計中建議采用前傾角底緣型式，至于傾角角度大小的影響，需要在后續(xù)研究中予以進一步的討論和分析。