基于流固耦合的平板閘門動(dòng)水關(guān)閉過程數(shù)值模擬

戴冰清 茅澤育

摘要： 閘門動(dòng)水關(guān)閉是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，在此過程中的水動(dòng)力特性及閘門本身結(jié)構(gòu)特性易受到多種因素的綜合影響。針對(duì)平板閘門動(dòng)態(tài)關(guān)閉過程，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、RNG kε紊流模型及VOF自由水面處理技術(shù)三者相結(jié)合的方法建立了三維非定常水氣兩相流模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合流固耦合方法針對(duì)不同因素綜合影響下閘門的形變、等效應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，綜合探究來流流量、閘門底緣型式、閘門關(guān)閉速度等因素對(duì)平板閘門閉門過程的水動(dòng)力特性及閘門結(jié)構(gòu)特性的影響。研究結(jié)果表明：閘門最大形變出現(xiàn)在底緣處，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在門頂處;合理減小閘門關(guān)閉速度及上游來流流量、采用底緣前傾角較大的閘門等措施，有利于改善閘孔出流條件，減小閘門門體所受負(fù)壓的區(qū)域，并減小閘門形變及等效應(yīng)力。研究成果可為閘門的優(yōu)化設(shè)計(jì)及確定合理運(yùn)行工況提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞： 平板閘門; 水動(dòng)力特性; 結(jié)構(gòu)特性; 數(shù)值模擬; 流固耦合; 動(dòng)網(wǎng)格

中圖法分類號(hào)： ?TV135.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.033

0 引 言

閘門是水利樞紐安全運(yùn)行的關(guān)鍵部分之一，它能否安全運(yùn)行直接關(guān)系著泄水建筑物運(yùn)行的技術(shù)可行性和安全可靠性[1]，也是一直受到關(guān)注的問題。閘門動(dòng)水關(guān)閉是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，同時(shí)受到上游水頭、水流流速、下閘速度、閘門體型和底緣型式等多因素的綜合影響。國內(nèi)外對(duì)閘門失事原因的調(diào)查結(jié)果表明，橫向流、折沖水流及水躍沖擊等水流會(huì)對(duì)閘門的結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。因此需要綜合探究閘門閉門過程的水動(dòng)力特性及閘門結(jié)構(gòu)特性的變化規(guī)律，為工程上閘門的優(yōu)化設(shè)計(jì)及確定合理運(yùn)行工況提供科學(xué)依據(jù)。

近年來，學(xué)者們分別采用物理模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)、數(shù)值計(jì)算等方法研究了閘門關(guān)閉過程中的水動(dòng)力學(xué)特性[2]以及影響水流水力特性的因素。如Willi等[3]采用半經(jīng)驗(yàn)法研究了溢洪道形狀及閘門開度對(duì)溢洪道中水流水力特征的影響;Marcou等[4]采用Lattice Boltzmann模型，研究了閘門關(guān)閉過程中的明渠水流特性;Masoud[5]認(rèn)為水閘的出水性能與水流的弗勞德數(shù)，和上游水深與閘門開度的比值相關(guān);Marzieyh[6]等采用多普勒測(cè)速計(jì)測(cè)得了閘門附近水流速度的分布情況。南水北調(diào)工程建設(shè)期間，方神光等[7]模擬計(jì)算了同時(shí)改變渠首流量、閘門開度和分水口流量時(shí)渠道中的非恒定過渡過程;吳保生等[8]根據(jù)渠道水位、流量等信息來優(yōu)化渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)。還有一些學(xué)者采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了初步探索，劉昉等[9]將閘門關(guān)閉過程簡(jiǎn)化為閘門的單向運(yùn)動(dòng)，再采用動(dòng)網(wǎng)格方法進(jìn)行數(shù)值模擬;文林森等[10]基于VOF方法，對(duì)某水電站事故閘門閉門過程進(jìn)行了初步數(shù)值模擬研究;郭桂禎等[11]就流體對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響規(guī)律進(jìn)行了初步研究。

可以看出，前人對(duì)閘門動(dòng)水關(guān)閉過程的研究大多僅限于水流的水動(dòng)力學(xué)特性本身，而很少或沒有考慮水流對(duì)閘門門體本身結(jié)構(gòu)特性的影響。實(shí)際工程中，閘門動(dòng)水關(guān)閉過程中水氣兩相流交替變化復(fù)雜，水在流經(jīng)閘門底緣過程中由于固體邊界的影響，必然形成繞流彎曲流場(chǎng)，水流分離現(xiàn)象不可避免造成閘門底部壓力梯度變化大，致使整個(gè)流域具有復(fù)雜的動(dòng)邊界問題。

鑒于此，本文運(yùn)用FLUENT軟件，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，綜合考慮了不同入口流量、不同底緣型式、不同閘門關(guān)閉速度等因素的綜合影響，采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法分析平板閘門閉門過程中的水動(dòng)力學(xué)特性變化。同時(shí)結(jié)合流固耦合方法，對(duì)閘門門體的形變、等效應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行研究分析。

1 數(shù)值模型及理論基礎(chǔ)

有限元方法具有計(jì)算精度高、能適應(yīng)較為復(fù)雜的幾何形狀條件等優(yōu)點(diǎn)，被視為一種具有廣闊應(yīng)用前景的工程分析手段。本文采用平板閘門有限元法展開分析，整個(gè)過程可以分為前處理（包括建立模型及劃分網(wǎng)格）、求解、后處理（包括采集處理并分析結(jié)果）3個(gè)部分。

1.1 水流控制方程

采用雷諾時(shí)均模型[12]，不可壓縮水流的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別如下：

ρ t +div ρ u? =0 （1）

ρu? t +div ρu u? =- p x + τxx x + τyx y + τzx z +Fx （2）

ρv? t +div ρv u? =- p y + τxy x + τyy y + τzy z +Fy （3）

ρw? t +div ρw u? =- p z + τxz x + τyz y + τzz z +Fz （4）

式中：p是壓強(qiáng)，τxx等是因分子黏性作用及湍流黏性影響而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量;Fx、Fy、Fz是微元體上的體積力，本文模型中體積力只有重力，z軸豎直向上，F(xiàn)x=0、Fy=0、Fz=-ρg。

1.2 紊流模型

采用RNG k-ε紊流模型計(jì)算結(jié)果具有更高的可信度[13]。其中k方程及ε方程分別為

t? ρk + ?xi? ρkui = ?xj? αkueff k xj? +Gk-ρε? （5）

t? ρε + ?xi? ρεui = ?xj? αεueff ε xj? +C*1ε ε k Gk-C2ερ ε2 k?? （6）

μt=ρCμ k2 ε

Gk=μt? ui xj + uj xi?? ui xj

C*1ε=C1ε- η 1-η/η0? 1+βη3?? （7）

η= 2Eij·Eij 1/2 k ε? （8）

Eij= 1 2?? ui xj + uj xi?? （9）

式中：Gk為壓力生成項(xiàng);ueff為有效黏性系數(shù);Eij為時(shí)均應(yīng)變率。

Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68

，αk=αε=1.393，η0=4.377，β=0.012。其他物理量含義參見文獻(xiàn)[14]。

1.3 VOF模型

水氣界面的自由表面跟蹤采用VOF方法[14]。假設(shè)在一個(gè)單元中，第q相流體體積分?jǐn)?shù)為αq，則有3種情況：αq=0表示單元網(wǎng)格中無第q相流體;αq=1表示單元網(wǎng)格中全為第q相流體;0<αq<1時(shí)，表示通過求解水的容積分?jǐn)?shù)來追蹤水氣交界面。

1.4 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

閘門動(dòng)水關(guān)閉過程的復(fù)雜性體現(xiàn)在水氣兩相流交替變化。當(dāng)水流流經(jīng)閘門底緣時(shí)，由于固體邊界的影響，將形成繞流彎曲流場(chǎng)。閘門底緣處產(chǎn)生水流分離現(xiàn)象，從而導(dǎo)致閘門底部壓力梯度變大，整個(gè)流域具有復(fù)雜的動(dòng)邊界問題。對(duì)于這類問題，需要?jiǎng)泳W(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分[15]。

在進(jìn)行初始模型建立及網(wǎng)格劃分時(shí)，同時(shí)采用邊界型函數(shù)或者UDF（用戶自定義函數(shù)），用以定義指定的邊界運(yùn)動(dòng)方式。將運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義在所劃分的局部網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上，如果流場(chǎng)中包含運(yùn)動(dòng)與不運(yùn)動(dòng)兩種區(qū)域，則需要將它們組合在初始網(wǎng)格中以進(jìn)行識(shí)別。用于動(dòng)網(wǎng)格的更新有彈簧光順模型、動(dòng)態(tài)層模型及局部重劃模型。

1.5 流固耦合理論

依據(jù)數(shù)據(jù)傳遞方式的不同，流固耦合可以分為單向流固耦合和雙向流固耦合。由于平板閘門整體剛度較大、位移小，相對(duì)于流場(chǎng)中的變化可忽略不計(jì)[16]，因此采用單向流固耦合方法進(jìn)行不同工況下平板閘門變形及等效應(yīng)力分析。單向流固耦合適用于相互作用中結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)變化較小、對(duì)流場(chǎng)影響可以忽略的耦合計(jì)算，并且僅將流場(chǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給固體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算。先進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，然后通過耦合面把流場(chǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給結(jié)構(gòu)場(chǎng)作為荷載或邊界條件，最后求解結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)[17]。

2 模型驗(yàn)證

本文采用加拿大Mica電站進(jìn)水口閘門水力學(xué)試驗(yàn)資料對(duì)本文構(gòu)建的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證[18]。Mica電站進(jìn)水口采用上游底緣傾角為30°的平板閘門，閘門門寬6.7 m，門高7.188 m，最大門厚1.143 m，啟閉機(jī)設(shè)計(jì)容量為248.1 t，閘門事故緊急閉門速度為6.1 m/min，事故閘門上有長(zhǎng)為14.5 m的斜喇叭進(jìn)口，縱向高程差為67 m。電站進(jìn)水口及引水管道系統(tǒng)的水工模型和事故閘門的幾何比尺λl=18，流量比尺λq=1 374.6，壓力比尺λp=18，時(shí)間比尺λt=4.24。在閘門門體上設(shè)置了20個(gè)測(cè)點(diǎn)。在試驗(yàn)工況H=71.5 m，Q=335 m3/s且閘門關(guān)閉速度為6.1 m/min時(shí)，試驗(yàn)得到閘門底緣所受壓強(qiáng)隨閘門相對(duì)開度變化的曲線。

圖1是考慮流固耦合作用后數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與模型結(jié)果的對(duì)比。圖1（a）表示閘門底緣測(cè)點(diǎn)10所受壓強(qiáng)的試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值，兩者變化規(guī)律基本一致。在水流阻滯作用下，閘門底緣所受壓強(qiáng)快速上升;隨著相對(duì)開度減小到0.8，水流逐步脫離閘門底緣，底緣所受壓強(qiáng)持續(xù)減小并在相對(duì)開度為0.2～0.3時(shí)出現(xiàn)最小值;隨著開度繼續(xù)減小，底緣所受壓強(qiáng)逐漸升高，關(guān)閉至底部時(shí)接近上游靜水壓強(qiáng)。圖1（b）為根據(jù)20個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)得到的壓強(qiáng)值繪制的閘門壓強(qiáng)分布圖，與圖1（c）中模擬閘門壓強(qiáng)等值線圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，閘門典型開度下的試驗(yàn)與模擬所得的壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致，靠近底緣處開始呈逆壓梯度分布，下游面板處壓強(qiáng)降低為零值附近。驗(yàn)證結(jié)果表明本文采用的數(shù)值模型可以滿足平板閘門閉門過程的水動(dòng)力特性三維模擬。

3 數(shù)值試驗(yàn)的模型建立及邊界條件

3.1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

將模型簡(jiǎn)化為進(jìn)口段、閘室段和出口段組成的三維模型。計(jì)算尺寸：寬2 m，高2 m，閘前區(qū)域長(zhǎng)3 m，閘后區(qū)域長(zhǎng)15 m。閘門門寬2.5 m，門高2.2 m，最大厚度0.2 m，采用鋼制平面閘門型式（見圖2）。計(jì)算區(qū)域以四面體為單元進(jìn)行初始網(wǎng)格劃分，根據(jù)接近度和曲率，選擇最高關(guān)聯(lián)度，設(shè)置局部網(wǎng)格加密。以底緣前傾角為60°型式的閘門為例，初始狀態(tài)計(jì)算區(qū)域有限元計(jì)算網(wǎng)格總計(jì)約43萬個(gè)，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.755，如圖3所示。

在初始網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上，首先應(yīng)用ICEM CFD軟件進(jìn)行初始模型建立及網(wǎng)格劃分，同時(shí)采用UDF（用戶自定義函數(shù)）定義指定的邊界運(yùn)動(dòng)方式為閘門以不同速度勻速下落，并且將運(yùn)動(dòng)函數(shù)定義在所劃分的局部網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上。

本文采用動(dòng)網(wǎng)格中的動(dòng)態(tài)分層法及局部重劃法，以適應(yīng)閘門幾何和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[19]。其中，動(dòng)態(tài)分層法的中心思想是：在邊界發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果緊鄰邊界的網(wǎng)格層高度增加到一定程度，就將其劃分為2個(gè)網(wǎng)格層;如果網(wǎng)格層高度降低到一定程度，就將緊鄰邊界的2個(gè)網(wǎng)格層合并為1層。而局部重劃法，則是用于將計(jì)算過程中畸變率或尺寸變化過大的網(wǎng)格集中在一起進(jìn)行局部網(wǎng)格的重新劃分。若重劃后的網(wǎng)格可以滿足畸變率及尺寸要求，則用新網(wǎng)格代替原來的網(wǎng)格，否則放棄重新劃分的結(jié)果[20]。將這兩種方法進(jìn)行結(jié)合，可以更大程度地保證網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算精度，使閘門區(qū)網(wǎng)格更新后不發(fā)生明顯的畸變現(xiàn)象。

3.2 數(shù)值計(jì)算方法

設(shè)置計(jì)算域左端進(jìn)口條件為壓力進(jìn)口，水深為1.5 m;出口為壓力出口，參考大氣壓位置設(shè)置在自由水面處，并設(shè)置參考操作工質(zhì)密度為1.225 kg/m3。流場(chǎng)與閘門界面設(shè)置單向流固耦合邊界條件，壁面默認(rèn)為無滑移邊界條件。采用控制變量法進(jìn)行工況計(jì)算方案設(shè)計(jì)，計(jì)算工況如表1所列。

計(jì)算方法：選擇基于壓力求解器的瞬態(tài)計(jì)算方法;選擇用于非穩(wěn)態(tài)可壓縮或不可壓縮流體流場(chǎng)中求解壓力速度耦合關(guān)系的PISO算法;選擇PRESTO！格式空間離散化壓力方程;采用二階迎風(fēng)格式動(dòng)量方程。其余參數(shù)保持默認(rèn)值，并設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s，計(jì)算1 000步，瞬態(tài)場(chǎng)每一時(shí)間步的最大迭代次數(shù)為10。先將靜態(tài)閘門全開時(shí)的狀態(tài)按上述設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，直到整個(gè)自由水面以下的計(jì)算流域充滿水（見圖4），再將最后時(shí)刻的case和data值導(dǎo)入動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算case中作為初始化數(shù)據(jù)，開始計(jì)算。

3.3 流固耦合計(jì)算

閘門材料為Q345C鋼，其彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103 kg/m3。由材料力學(xué)知識(shí)可知，由于金屬材料Q345C鋼為延性材料，通常以屈服形式失效，符合米塞斯屈服準(zhǔn)則，一般采用第四強(qiáng)度理論（又稱形狀改變比能理論，不論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達(dá)到極限值，便引起屈服）進(jìn)行校核。根據(jù)第四強(qiáng)度理論[20]，等效應(yīng)力計(jì)算公式為

σ = 1? 2??? σx-σy 2+ σy-σz 2+ σz-σx 2+6 τ2xy+τ2yz+τ2zx???? （10）

實(shí)際工程中閘門通過啟閉機(jī)啟閉，僅在空間z軸上有位移，因此將閘門上端設(shè)置為固定端。將平底底緣及前傾角底緣型式閘門以四面體為單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在設(shè)置的耦合面上加載來自流體的作用力，求解閘門總變形及等效應(yīng)力。

4 ?平板閘門關(guān)閉過程的數(shù)值模擬及水動(dòng)力特性分析

將閘門上端設(shè)置為固定端，底緣為自由端，閘門可視為懸臂梁模型，分析研究流固耦合作用下閘門關(guān)閉過程中的水動(dòng)力特性。

4.1 結(jié)果計(jì)算

對(duì)于閘底底坎為平頂堰，當(dāng)相對(duì)開度e/H≤0.65時(shí)，為閘孔出流;e/H>0.65時(shí)，為堰流。對(duì)于底坎為平頂堰的閘孔出流，有以下計(jì)算公式[21]：

Qv=μbe 2gH0? （11）

式中：e為閘門開度;H為閘門底坎頂?shù)阶杂杀砻嫔疃?μ為閘孔自由出流流量系數(shù)，μ=0.60-0.76 e H ;b為閘孔寬度;H0為閘孔全水頭，H0=H+α0v0/（2g）。質(zhì)量流量與體積流量的換算，Qm=ρQv。

理論計(jì)算值與數(shù)值模擬（工況6）得到的閘孔出流質(zhì)量流量值隨閘門開度的變化曲線如圖5所示。顯然，計(jì)算值與數(shù)值模擬值誤差較小。

4.2 不同工況下的壓強(qiáng)分布規(guī)律

本節(jié)控制閘門關(guān)閉速度為0.3 m/s，探究其他因素對(duì)閘門關(guān)閉過程的影響規(guī)律。圖6是平底底緣與前傾角60°底緣的閘門在相對(duì)開度分別為0.65和0.30的情況下計(jì)算區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)分布。顯然，閘門底緣處，壓強(qiáng)呈大梯度逆壓梯度分布。開度較大時(shí)閘后的回流現(xiàn)象并不明顯，形成的漩渦對(duì)閘門底緣的壓強(qiáng)分布影響較小，底緣沒有形成明顯的負(fù)壓區(qū);當(dāng)開度較小時(shí)，水流與閘底分離產(chǎn)生脫流現(xiàn)象，閘門后水流漩渦區(qū)明顯增大。這一區(qū)域處于水氣兩相流混合交替狀態(tài)，閘門底緣產(chǎn)生射流擾動(dòng)作用，需要補(bǔ)入氣體，吸氣作用強(qiáng)烈，造成圖示閘門底緣處的負(fù)壓分布，從而使閘門底緣壓強(qiáng)呈明顯的逆梯度分布特征。

由圖6還可以看到：當(dāng)Q=30 m3/s，v=0.3 m/s時(shí)，動(dòng)水壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)在閘門上端，負(fù)壓出現(xiàn)在閘門底緣。平底底緣型式閘門的關(guān)閉過程中，較小開度時(shí)水流分離點(diǎn)一般出現(xiàn)在上游，在閘門下部底緣產(chǎn)生空腔時(shí)無法及時(shí)從下游補(bǔ)充空氣，閘門底緣產(chǎn)生極不穩(wěn)定的負(fù)壓，工程中此時(shí)的動(dòng)水垂直力會(huì)呈現(xiàn)下吸力特性。而前傾角底緣型式的閘門設(shè)計(jì)更為合理，流線型輪廓的水流條件較好。閘門底緣的水流分離現(xiàn)象不明顯，幾乎沒有形成負(fù)壓區(qū)域，工程上可以減少底緣的空化現(xiàn)象。前傾角底緣閘門所受到的壓強(qiáng)峰值較小，且底緣傾角為60°及45°時(shí)，在閘門處基本不產(chǎn)生負(fù)壓。因此，可以通過改變閘門底緣型式以改善閘孔出流條件，減小過流對(duì)閘門產(chǎn)生的影響，并且宜選用較大傾角。

由圖7（a）和圖8（a）可見，最大壓強(qiáng)隨開度減小而增大。來流流量分別為18，30，36 m3/s時(shí)，最大負(fù)壓分別為29.80，61.60，83.16 kPa。

由圖7（b）和圖8（b）可見，閘門關(guān)閉前期，所受到的負(fù)壓處于較為穩(wěn)定的小范圍不規(guī)律變動(dòng)狀態(tài)。原因主要有：① 在來流流量不變的情況下，隨著閘門的關(guān)閉，過流斷面面積減小，流速增大，弗勞德數(shù)增大，水流本身處于強(qiáng)烈的紊動(dòng)狀態(tài)，各個(gè)物理量及補(bǔ)氣條件受影響，則閘門底緣所受負(fù)壓產(chǎn)生不規(guī)律變動(dòng);② 由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間限制，網(wǎng)格的數(shù)量及質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生了一些影響;③ 在模型建立時(shí)，對(duì)邊界條件及初始條件的簡(jiǎn)化在一定程度上也影響著計(jì)算精度。相對(duì)開度減小到0.4時(shí)，閘門所受最大負(fù)壓（圖中的最小壓強(qiáng)）急劇增大。

來流流量越大，閘門受到的負(fù)壓也越大，負(fù)壓峰值分別為-8.7，-16.9，-23.4 kPa。原因?yàn)椋簛砹髁髁吭酱?，斷面流速越大，在閘孔處斷面收縮時(shí)水流分離形成的渦區(qū)較大，水流分離現(xiàn)象越劇烈，而閘后補(bǔ)氣越困難，則造成底緣處承受負(fù)壓越大。

4.3 不同閘門關(guān)閉速度對(duì)閘門的影響

表2是在3個(gè)典型開度下，以平底底緣閘為研究對(duì)象，采用不同關(guān)閉速度時(shí)閘門所受的最大及最小壓強(qiáng)值。同一開度下，關(guān)閉速度為0.4 m/s時(shí)，閘門所受壓強(qiáng)最大，0.2 m/s時(shí)最小。開度越大，關(guān)閉速度對(duì)壓強(qiáng)大小影響越大。各個(gè)關(guān)閉速度下的閘門所受負(fù)壓峰值相差不大。因此減小閘門的關(guān)閉速度，可以減小閘門承受的最大壓強(qiáng)，但對(duì)閘門底緣承受的負(fù)壓影響不大。

5 平板閘門結(jié)構(gòu)特性數(shù)值模擬及分析

5.1 平板閘門變形情況分析

由圖9～10可知：當(dāng)Q=30 m3/s，v=0.3 m/s，e/H=0.2時(shí)，從頂端至底部閘門總變形逐漸增大，在底緣處結(jié)果偏離初始狀態(tài)距離最遠(yuǎn)。閘門的最大形變量隨開度減小而增大。開度相同時(shí)，來流流量越大，閘門最大形變量越大。例如平底底緣閘門在開度為0.2時(shí)，3種工況下閘門的最大形變值分別達(dá)到了3.25×10-4，7.96×10-4，10.96×10-4m。

同一工況下，前傾角底緣型式閘門的最大變形區(qū)域及最大變形量均小于平底底緣型式閘門，說明前傾角底緣型式閘門具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且傾角為60°時(shí)，閘門產(chǎn)生的變形量相對(duì)較小。

5.2 平板閘門等效應(yīng)力分析

由圖11～12可見：當(dāng)Q=30 m3/s，v=0.3 m/s，e/H=0.2時(shí)，隨著開度的減小，閘門等效應(yīng)力值呈增大趨勢(shì)。主要原因有：① 動(dòng)水壓力隨開度的減小逐漸增大;② 動(dòng)水壓力對(duì)閘門的作用面積逐漸增大。最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在閘門頂部，并且往閘門底部逐漸減小。在相同開度時(shí)，來流流量越大，閘門最大等效應(yīng)力值越大。例如，在開度0.2時(shí)，3種工況下，平底底緣閘門的最大等效應(yīng)力值分別達(dá)到了5.85，14.93，20.68 MPa。

60°前傾角底緣型式閘門的最大等效應(yīng)力值始終小于平底底緣型式閘門，更不容易被破壞。這與前文中前傾角底緣型式閘門的水流條件較好、不易形成負(fù)壓區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在工程中建議使用較大前傾角底緣型式閘門而非平底式。

6 結(jié) 論

閘門動(dòng)水關(guān)閉過程中涉及到復(fù)雜的水氣兩相流，整個(gè)計(jì)算域具有復(fù)雜的動(dòng)邊界問題。為了研究平板閘門閉門過程的水動(dòng)力特性及閘門結(jié)構(gòu)特性，本文采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，應(yīng)用RNG kε紊流模型、VOF方法及流固耦合方法，建立了平板閘門動(dòng)水關(guān)閉過程的三維非定常水氣兩相流模型并應(yīng)用試驗(yàn)資料進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)一步進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要研究結(jié)果如下。

（1） 閘后出現(xiàn)的漩渦區(qū)可以減小水霧對(duì)閘門的侵蝕作用。在閘門底緣處，呈大壓強(qiáng)梯度變化并呈逆壓梯度分布現(xiàn)象。

（2） 閘門最大形變出現(xiàn)在底緣處，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在門頂處。因此工程上可以針對(duì)閘門的不同部位采取措施，進(jìn)一步提高閘門的性能。

（3） 合理減小閘門的關(guān)閉速度可以減小閘門承受的最大壓強(qiáng)，但對(duì)閘門底緣承受的負(fù)壓無明顯影響。入口流量對(duì)流域及閘門也有一定影響，入口流量越大，閘門承受更大的負(fù)壓值，產(chǎn)生較大形變及等效應(yīng)力值。因此也需要合理控制上游來流流量使閘門安全運(yùn)行。

（4） 前傾角底緣型式閘門具有水流條件較好、不易形成負(fù)壓區(qū)域、閘門形變及等效應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)，在工程中建議使用較大前傾角（如60°）底緣型式閘門而非平底式。可改善閘孔出流條件，減小過流對(duì)閘門產(chǎn)生的影響。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

戴冰清，茅澤育.基于流固耦合的平板閘門動(dòng)水關(guān)閉過程數(shù)值模擬

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Numerical simulation of plane gate closing under running water based on

fluid-structure interaction

DAI Bingqing，MAO Zeyu

（ Department of Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China ）

Abstract：

The gate closing under running water is a complex physical process.In this process，the hydrodynamic characteristics and the structural characteristics of the gate itself are affected by many factors.Aiming at the dynamic closing process of the plane gate，a 3D unsteady water-gas two-phase flow model was established by combining dynamic mesh technology，turbulence k-ε model and VOF free surface treatment technology.On this basis，combined with the method of fluid-structure interaction，the variation law of gate deformation and equivalent stress under the influence of different factors was numerically simulated，and the influence of inflow flow，gate bottom edge type，gate closing speed and other factors on the hydrodynamic characteristics and gate structure characteristics of plane gate closing process were comprehensively explored.The results showed that the maximum deformation of the gate occurred at the bottom edge，and the maximum equivalent stress occurred at the top of the gate.Reasonable reduction of gate closing speed and upstream inflow flow，and the gates with large bottom rake angle were conducive to improving the outflow conditions downstream，reducing the negative pressure area of gate body，and reducing the gate deformation and equivalent stress.The above research results can provide a scientific basis for the optimal design of the gate and the determination of reasonable operating conditions.

Key words：

plane gate;hydrodynamic characteristics;structural characteristics;numerical simulation;fluid-structure interaction;dynamic mesh