考慮流固耦合效應的漂浮物撞擊平面鋼閘門的研究

劉江川, 李曉東，朱茂源

(長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012)

水工鋼閘門作為防洪、排澇和水資源利用工程中的重要結構物，閘門的安全運行將直接影響整個水利樞紐的安全運行，一旦閘門結構發(fā)生破壞將會嚴重威脅下游居民的生命財產安全[1]。流體與閘門結構二者之間組成兩個存在相互作用的系統(tǒng)，當閘門開啟時，流體本身所儲存的勢能轉化為動能，與閘門結構發(fā)生相互作用時，將其攜帶的動能的一部分傳遞給閘門結構，從而導致閘門發(fā)生震動；同時振動的閘門反作用于流體，改變流體原有的流動狀態(tài)，稱這種現(xiàn)象為激流振動[2]。在水流作用下，閘門可能受到靜荷載、動水荷載、漂浮物撞擊荷載以及由風場產生的波浪荷載作用。其中閘門在動水作用下產生振動而引起的動水荷載和漂浮物撞擊閘門而產生的漂浮物撞擊荷載[3]的影響最大，流速較大的洪水及其攜帶的漂浮物會對閘門產生很大的沖擊作用，是引起閘門結構失穩(wěn)破壞一個主要原因。目前對閘門主要研究方向為閘門和水流的流固耦合所導致的閘門流激振動問題，國內外學者對此展開了大量的研究，并取得了豐厚成果。物理模型實驗法[4]：通過電壓式加速傳感器以及振動信號采集系統(tǒng)，得到不同來流情況與平板閘門振動的關系；數(shù)值模擬計算法[5]：通過對不同開度下閘門流激振動情況的數(shù)值模擬，得到了閘門不同開度下的位移、應力情況；物理模型實驗和數(shù)值模擬相結合法[6]：通過巴塘水電站導流洞平面閘門流激振動試驗和ANSYS Workbench數(shù)值模擬相結合的方法，得出閘門的流激振動響應特性。關于閘門泄流時，水流攜帶的漂浮物撞擊閘門的研究鮮見，漂浮物撞擊對閘門結構的影響的研究有待于深入。

為此，借助ABAQUS軟件建立水流場-閘門-漂浮物數(shù)值模型，研究了考慮流固耦合效應下的漂浮撞擊對開啟的平面鋼閘門的影響。

1 漂浮物撞擊平面鋼閘門理論

1.1 流固耦合理論

考慮動水質量對閘門結構的影響，其在坐標系中的動力平衡方程為[7-9]：

[М] {W}+[C] {W}+[K] {W}={Fs(t)}+{Fg(t)}

(1)

式中：[М]、{W}、[C]、[K]、{Fs}、{Fg}分別為質量矩陣、結構的節(jié)點自由度、阻尼矩陣、剛度矩陣、由流場附加產生的壓力和由其它荷載附加產生的壓力。其中{W}由流固耦合面的自由度[Ws]，流固耦合面以上的自由度[Wg]組成，其表達式為：

{W}=[[Ws]T×[Wg]T]T

(2)

{Fs}可改寫為：

{Fs}=-[Mg]×{W}

(3)

其中：[Мg]為附加質量矩陣，對于流固耦合問題此處附加的介質為“水”。

推導得：

([M]+[Mg]){W}+[C]{W}+[K]{W}={Fg(t)}

(4)

實際工程中閘門結構會因動水沖擊發(fā)生自由振動，此時荷載向量為0且可以不考慮結構阻尼對閘門自振的影響[9]，式(4)可改寫為：

([M]+[Mg]){W}+[K]{W}=0

(5)

式(5)即為閘門結構在動水沖擊作用下閘門的振動方程。

1.2 Heins-Derucher碰撞理論

利用能量守恒定律將漂浮物和閘門作為研究對象，假定發(fā)生完全非彈性碰撞并且考慮流體和摩擦的影響，建立總能量方程[10]：

E=E1+E2+E3+E4

(6)

式中：E、E1、E2、E3、E4分別為碰撞前的系統(tǒng)總能量、漂浮物碰撞后的變形能、碰撞后閘門的變形能、漂浮物得回彈勢能、摩擦勢能。

當漂浮物與閘門發(fā)生完全彈性碰撞時，能量全部轉化為閘門的變形能，此時閘門變形最大，能量方程為：

E=E2

(7)

為了簡化碰撞模型的多種變量的復雜工況，基于能量守恒原理，引入彈簧數(shù)學模型并結合交換理論來研究碰撞問題。即將漂浮物碰撞閘門簡化為彈簧體系，建立如下方程：

(8)

Fmax=KXmax

(9)

amax=V0λt

(10)

2 計算模型

2.1 工程概況

某水庫樞紐主要建筑物包含：擋水建筑物、泄洪建筑物、放水建筑物。其中泄洪建筑物為正常溢洪道，位于大壩中部，分二級消能；一級消能由泄洪閘控制段、陡坡、消力池組成，泄洪閘共3孔，孔口尺寸為2 m×6 m(寬×高)，閘底板高程19.50 m，正常蓄水位22.5 m，汛限水位22.5 m；二級消能由溢流控制段、陡坡、消力池組成，溢流堰為鋼筋混凝土結構，溢流寬度8.5 m，二級消能堰頂高程16.3 m，一、二級消能由35 m長泄洪渠相連。

2.2 計算模型及網(wǎng)格劃分

通過查閱相關文獻資料發(fā)現(xiàn)閘前流場對閘門結構的影響較大[11-12]。本文包含兩組有限元模型分別為：流固耦合模型和漂浮物撞擊耦合模型，其示意圖如圖1、圖2所示。流體域由閘前和閘門開啟時的閘下流體域組成，固體域包含漂浮物(以圓木為例)和閘門(閘門開度為0.5 m)。對其進行網(wǎng)格劃分，流固耦合模型結點總數(shù)為29 996個，單元總數(shù)為24 910個；漂浮物撞擊模型結點總數(shù)為34 892個,單元總數(shù)為28 886個。閘門跨度方向為x向，閘門高度方向為y向，上游至下游的流向方向為z向，閘門受到跨度方向，水流上游方向及閘門底部的水流的約束。

圖1 流固耦合模型

圖2 漂浮物撞擊模型

2.3 流固耦合及碰撞的接觸設置

將閘門與流體域的接觸面設置為流固耦合面，流場域除進出口面以外均設置為壁面條件。流場向結構場傳遞力，結構場向流場傳遞位移。漂浮物與閘門的碰撞常用計算方法有：流固耦合方法[13],附加質量法[14]。流固耦合方法通過對撞擊物周圍的流場變化過程的計算，真實地體現(xiàn)出碰撞的情況，得到漂浮物撞擊對閘門結構的影響，但該方法將會極大的增加計算量且精確的結果需要龐大的網(wǎng)格基礎進行支撐。附加質量方法通過增加漂浮物的密度來附加水流的影響效果，該種方法的弊端在于附加質量的精確附加量無法確定[15]。兩種方法均存在一些不足之處，本文在考慮流場和閘門之前流固耦合效應的基礎上[16]，將漂浮物定義為剛體，其速度為最大流場速度的1/3。

3 有限元計算結果分析

3.1 流場水動力分析

3.1.1 流場最大流速變化分析

流場的最大流速首先出現(xiàn)于閘前的閘門開啟部位，而后逐漸向閘門底緣移動。閘門開啟時閘前最大流速的變化規(guī)律為：最大水流速度隨著閘門的開啟時間增加而呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，前期降幅明顯，中后期整體呈波浪式減小趨勢，減小幅度相對較小。閘前最大流速Vm的時程曲線如圖3所示。

圖3 閘前最大流速Vm的時程曲線

3.1.2 流場位移分析

水面線是溢洪道等泄水建筑物的重要設計參數(shù)，計算方式為體積比函數(shù)的50%時的水氣交界面。當比值為0時表示該泄水建筑物中無水體存在；當比值為0～1之間時，表示該泄水建筑物存在水氣交接面；當比值為1時，表示該泄水建筑物充滿水體。

圖4為閘前流場的橫向位移剖面云圖，當閘門開啟時流場的最大位移位于閘門擋水側中央位置。流場位移的分布情況為自遠處至擋水面較近處位移變化相對較小，至臨近擋水面處位移迅速增大至最大值。流體域的最小位移位于閘門擋水面邊緣附近，為泄流時閘前出現(xiàn)漩渦和涌浪等現(xiàn)象所致。

圖4 流體域的位移x剖面云圖

3.1.3 流場壓力分析

閘門未開啟時流場未發(fā)生流動，其水壓力為靜水壓力，當閘門剛開啟時，流體域距閘門較遠處水流的流動相對較小可視作靜水壓力。閘門底緣下方及其周圍距離較近位置的流場流動性較大，此處水壓力為動水壓力，水壓最大值由閘門底緣前方逐漸向閘門底緣下方移動。一段時間后閘前流場全部發(fā)生流動，此時水壓逐漸增大，其水壓分布與速度分布基本一致。

3.2 閘門結構分析

3.2.1 閘門結構位移分析

圖5為閘門的位移云圖，閘門在水流振動作用下最大位移出現(xiàn)在閘門面板跨度方向中軸線處。位移由閘門面板中部逐漸向左右兩側減小，且沿閘門中線位置對稱。閘門與水流流固耦合面以上部分位移量較小，約0.9 mm。

圖5 閘門位移云圖

圖6為閘門的最大位移Um的時程曲線，從圖6可知無漂浮物碰撞情況，閘門開啟時為閘門位移量最大時刻，最大值為23 mm；隨著閘門開啟時間的增加閘門位移量逐漸趨于穩(wěn)定并維持在11.2 mm附近。

圖6 最大位移Um的時程曲線

3.2.2 閘門結構應力分析

圖7為閘門面板的最大應力時程曲線。閘門開啟前的最大應力為86.45 MPa，閘門剛開啟時的最大應力為96.35 MPa，應力值瞬間增大10%，結合圖7可知閘門剛開啟時瞬間面板應力迅速增大，隨著閘門開啟時間的增加，閘門面板的最大應力首先迅速降低，而后與閘門位移的變化基本一致，在0.5 s后逐漸趨于穩(wěn)定并最終穩(wěn)定在24.26 MPa附近。

圖7 面板最大應力的時程曲線

3.3 漂浮物撞擊對閘門結構的影響分析

為使撞擊力及撞擊位移在云圖上顯示更加清晰，本文選擇閘門中線與流固耦合面頂部的交線點為碰撞點。

3.3.1 漂浮物撞擊對閘門結構應力的影響

圖8、圖9分別為閘門在有、無漂浮物撞擊閘門面板的應力云圖。從應力云圖可清晰的看出有無漂浮物撞擊流固耦合面以上位置應力分布基本一致，最小應力位于閘門頂端，且漂浮物撞擊下的閘門面板的應力值大于無碰撞情況。對比發(fā)現(xiàn)，漂浮物撞擊將使閘門面板的應力出現(xiàn)整體性的增加現(xiàn)象。

從圖8和圖9比較發(fā)現(xiàn)，流固耦合面以下位置應力較為集中的區(qū)域亦大致相同，其中漂浮物撞擊情況的閘門面板中部出現(xiàn)大范圍的應力集中現(xiàn)象，且應力值接近閘門面板應力最大值。

圖8 有漂浮物撞擊的應力云圖

圖9 無漂浮物撞擊的應力云圖

3.3.2 撞擊對閘門結構位移的影響

為進一步探明水流及攜帶的漂浮物撞擊閘門結構的動力響應情況，以撞擊中心點下方0.5 m、中心點、右側0.5 m、上方0.5 m為例研究閘門結構的位移情況。

圖10曲線自上而下分別為撞擊中心點下方0.5 m、中心點、右側0.5 m、上方0.5 m的閘門面板位移時程曲線。由圖10可知四個不同位置的閘門位移時程曲線的變化趨勢基本相同。漂浮物自遠處漂來未與閘門面板發(fā)生撞擊時，位移時程曲線與前文相同。當漂浮物與閘門發(fā)生撞擊后，此時各條逐漸趨于穩(wěn)定的時程曲線均出現(xiàn)一個較小的位移增大的現(xiàn)象，增大幅度從小到大依次為撞擊中心點、下方0.5 m處、上方0.5 m處和右0.5 m，這與上節(jié)關于漂浮物對面板閘門應力響應結果一致。

圖10 撞擊作用下不同點的位移時程曲線

4 結 論

本文對考慮流固耦合響應的平面鋼閘門受到漂浮物撞擊的動力響應分析進行研究，得到主要結論如下：

(1) 對于水流場：流場的最大流速、壓力、位移均出現(xiàn)在閘門附近，且隨著開啟時間的增加逐漸向閘門底緣移動。

(2) 對于閘門結構：閘門最大應力出現(xiàn)在閘門面板底部兩側位置，且應力由閘門面板底部向上逐漸減小，沿著閘門面板中線呈對稱分布；漂浮物撞擊對閘門的影響主要表現(xiàn)為：閘門面板中部出現(xiàn)大范圍的應力集中現(xiàn)象，且閘門面板出現(xiàn)整體性的應力增加現(xiàn)象。在工程中可以通過增加或增強該處空間梁結構的方法以達到增強閘門結構穩(wěn)定性的目的。