露頂式弧形閘門流固耦合數(shù)值模擬正反分析

摘 要：針對表孔局開泄洪誘發(fā)露頂式弧形閘門流激振動(dòng)問題，借助計(jì)算流體力學(xué)（ＣＦＤ） 軟件Ｆｌｕｅｎｔ 和計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)（ＣＳＤ） 軟件Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＡＰＤＬ 構(gòu)建閘門與泄洪水流的流固耦合傳遞數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并分析閘門在泄流時(shí)的振動(dòng)特性，基于模態(tài)疊加法原理編制閘門流激振動(dòng)反分析程序，實(shí)現(xiàn)對閘門流激振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果的反分析。以烏江某工程露頂式弧形閘門為例進(jìn)行正反分析，結(jié)果表明：采用大渦模擬（ＬＥＳ）的紊流模型得出閘門面板的脈動(dòng)壓強(qiáng)具有低頻、窄帶的特性，基本符合正態(tài)分布；利用模態(tài)坐標(biāo)和振型向量、應(yīng)力向量合成計(jì)算閘門的結(jié)構(gòu)動(dòng)力場，反分析得出的動(dòng)位移場、動(dòng)應(yīng)力場與采用完全法正分析得出的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了反分析方法的合理性和程序的適用性。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；流固耦合；模態(tài)疊加法；動(dòng)位移；反分析

中圖分類號：ＴＶ６６３＋ ．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０２４

引用格式：盧洋亮，傅學(xué)敏，劉亞坤，等．露頂式弧形閘門流固耦合數(shù)值模擬正反分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（８）：１３７－１４２，１４８．

０ 引言

高壩泄流工程中水工鋼閘門作為泄水建筑物的控制設(shè)備，其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)水利樞紐和周邊居民生命及財(cái)產(chǎn)安全?；⌒伍l門以其優(yōu)越的水力特性和啟閉靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于溢洪道和泄洪洞中。然而，在實(shí)際運(yùn)行中往往因水流不穩(wěn)定而造成閘門面板承受不良水流激勵(lì)荷載，誘發(fā)弧形閘門流激振動(dòng)問題，甚至引起支臂失穩(wěn)破壞［１］ 。目前對弧形閘門流激振動(dòng)問題的研究方法主要有原型觀測、水彈性試驗(yàn)和數(shù)值模擬［２］ ，其中：原型觀測法可獲得閘門運(yùn)行的實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)測結(jié)果最為真實(shí)，但該方法須在閘門建成后方可實(shí)施；水彈性試驗(yàn)方法可較好反映水體－閘門耦合水動(dòng)力特性，然而，對于水彈性材料需要重點(diǎn)修正其阻尼比和泊松比以滿足相似準(zhǔn)則，建模成本高、試驗(yàn)周期長；隨著計(jì)算機(jī)性能的迅猛提升，數(shù)值模擬方法逐漸引起重視并實(shí)現(xiàn)運(yùn)用，該方法可單獨(dú)借助ＣＦＤ 實(shí)現(xiàn)對泄洪水流的三維流場分析，還可對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元（ＦＥＭ）計(jì)算，對水體－閘門流固耦合的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析［３］ 。

在閘門流固耦合數(shù)值模擬分析方面， 唐克東等［４］ 、張聰?shù)龋郏担?基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 平臺實(shí)現(xiàn)弧形閘門的單向流固耦合分析，通過Ｆｌｕｅｎｔ 軟件計(jì)算閘門局開泄洪水流作用在閘門面板的動(dòng)水壓力，并借助Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ"Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 軟件求解閘門的動(dòng)力響應(yīng)；倪漢根等［６］ 、劉亞坤等［７］ 、趙蘭浩等［８］ 先后通過閘門水力學(xué)試驗(yàn)測得閘門面板荷載，并把荷載施加在有限元模型上，采用物模－數(shù)模聯(lián)合預(yù)測的方法研究弧形閘門流激振動(dòng)問題；彭新民等［９］ 基于模態(tài)疊加法原理對閘門系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展，對閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)場動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。雖然上述學(xué)者分析得到的閘門面板所受荷載與實(shí)際情況較為貼合，但均受測點(diǎn)限制，無法得出全面連續(xù)的動(dòng)力場和流場數(shù)據(jù)。本文以貴州烏江某表孔露頂式弧形閘門為例，采用ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合數(shù)值計(jì)算方法，探究閘門局開運(yùn)行時(shí)脈動(dòng)水壓力作用的流激振動(dòng)問題，并在結(jié)構(gòu)場基礎(chǔ)上對閘門振動(dòng)進(jìn)行反分析，驗(yàn)證ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合數(shù)值計(jì)算方法，用于分析泄洪誘發(fā)閘門流激振動(dòng)問題的可行性。