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水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9苏圣致,杨春霞,饶天华,等.不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):148-155.SU Shengzhi,YANG Chunxia,RAO Tianhua,et al.Numerical simulation of flow induced vibration of a gate with different openingJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(9):148-155.不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究苏圣致,杨春霞,饶天华,李 倩(河海大学 能源与电气学院,江苏 南京 211100)收稿日期:2023-01-31;修回日期:2023-04-18;录用日期:2023-04-26;网络出版日期:2023-05-15基金项目:国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2019YFE0105200);中央高校基本科研业务费项目(B210202060)作者简介:苏圣致(1999),男,硕士研究生,研究方向为流体机械仿真模拟。E-mail:211306020007 通信作者:杨春霞(1988),女,副教授,硕士研究生导师,博士,研究方向为新型水力机械开发设计及海洋能利用。E-mail:yangchunxia Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】针对多个平面闸门在启闭过程中受水流脉动压力影响可能引起振动而易发生破坏的问题,【方法】以秦淮新河水利枢纽中某节制闸为例,研究了势流体流固耦合理论,使用 ANSYS Workbench 软件对多个闸门并行时紧急排水工况进行了三维仿真模拟,获得了该工况不同开度下流场压力、速度,闸门变形、应力等分布情况;对该闸门进行有水、无水工况模态分析;系统研究了闸门在 0.20.7 范围内 6 个开度下发生流激振动的状态。【结果】结果显示:随闸门开度增大,闸门变形、等效应力减小,流场内最值压力减小、速度减小。受脉动压力作用 Y、Z 向变形大于 X 向变形。比较数值结果发现开度较小时开度轻微变化会极大影响应力、变形等参数的变化,如开度从 0.2 增大至 0.3 时,闸门最大变形减少 49.3%,最大等效应力减小 59.7%,流场最值压力分别减少 55.2%、54.6%。【结论】建议该闸门应尽量避免长期处在小开度下运行。湿模态情况下固有频率更低,整体发生振动的阶数更多。边缘位置的闸门变形、应力分布异常,使其更易损伤。关键词:流固耦合;流激振动;数值模拟;相对开度;平面闸门DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.013开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TV663文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0148-08Numerical simulation of flow induced vibration of a gate with different openingSU Shengzhi,YANG Chunxia,RAO Tianhua,LI Qian(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,Jiangsu,China)Abstract:PurposeIn order to solve the problem that multiple plane gate may be easily destroyed due to vibration caused by the influence of water pulsating pressure during opening and closing process,Methodstaking a control gate in Qinhuai New River Conservancy Project as an example,the fluid-solid coupling theory of potential fluid is studied.Three-dimensional simulation of emergency drainage conditions of several gates in parallel is carried out by using ANSYS Workbench software,and the flow field pressure,velocity,gate deformation,stress and other distribution conditions in different opening degrees were obtained.Modal analysis is carried out for the gate under both water and anhydrous conditions.The flow-induced vibration of the gate at 6 open-ings from 0.2 to 0.7 is systematically studied.ResultsThe results show that with the gate opening increasing,the deformation 841苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期and equivalent stress of the gate decrease,and the maximum pressure and velocity decrease in the flow field.Deformation in Y and Z direction is larger than that in X direction under pulsating pressure.The comparison results show that:slight opening changing will greatly affect the changes of stress and deformation parameters when opening is small.For example,when opening is increased from 0.2 to 0.3,the maximum deformation of gate decreases by 49.3%,the maximum equivalent stress decreases by 59.7%,and the maximum pressure of flow field decreases by 55.2%and 54.6%respectively.ConclusionIt is suggested that the gate should avoid running in small opening degree for a long time.In wet mode,the natural frequency is lower and the vibration order of the whole body is more.Abnormal deformation and stress distribution of the gate at the edge make it more vulnerable to damage.Keywords:fluid structure coupling;flow induced vibration;numerical simulation;relative opening;plain gate0 0 引引 言言 随着我国水利水电事业的快速发展,水工建筑物的安全运行问题一直以来备受关注。平板闸门是用于关闭和开放泄水通道的控制设施,是水工建筑物的重要组成部分,闸门的启闭问题关系到闸门能否正常运行,大量研究发现闸门振动的流激力对闸门启闭过程具有重要影响。闸门流激振动是一种典型的流固耦合现象,是指闸门由于水压变化产生的间歇的动作,如果振荡的周期与某谐振周期重合或接近,就会使得闸门共振。近年来,国内外已经有多起闸门失事的实例,这些事故给水利水电事业造成了巨大的影响,因此研究闸门启闭过程的流激振动现象对提高其运行安全性有着极大的作用。刘权等1分析了闸门局部开启时的流激振动特性,发现振动方向上游挡水面板刚度比主梁小,下游挡水面板的速度、加速度最值比主梁大。常富等2发现提高闸门的自振频率,可以使其远离脉动水流高能区,能有效防止闸门共振。彭思贤等3发现闸门基阶振动受水体影响较小。胡木生等4利用原型观测的方法较为准确地测量出闸门的振动响应。蒋寅军等5用完全水弹性模型试验得到闸门不同开度下的动力响应。LIU 等6发现引起闸门振动的激振力和由闸门振动变形造成的摩擦系数和摩擦力臂的变化是影响启闭力的主要因素。KIM 等7发现闸门下的漩涡脱落是扰动频率的来源。随开度增加,数值模拟结果的振动频率降低,最终发生底部冲刷现象。WANG 等8研究了垂直振动、水动力载荷和流量的关系,发现闸门开度小时,垂向振动使流量波动增大,进而影响上游板和闸底的荷载,闸门底部升力系数主要受出流边界条件控制。WANG等9发现某水库闸门的低阶模态频率没有完全脱离动水的高能区,将导致严重的振动,该闸门在 0.5开度下运行时振动响应最大。GAO 等10研究了液压启闭机对钢闸门引水、排水工况的振动响应特性,发现液压启闭机能降低该特性,并对闸门振动有一定的抑制作用。JAVANSHIR 等11研究水坝闸门在流体流激振动下的动态行为,提出非线性自激数学模型,该模型能够产生永久性的自激励振动行为,还研究了不同形状闸门的振荡情况。BEHNAM-FAR 等12研究了闸门的面外振动和面内振动,方法是限制闸门振动方向,将其分为水平振动和垂直振动,发现边缘倾斜角为 45时水平振动振幅最小。GBEL 等13通过测量振动频率的方法区分了 J 型密封的振动,并对某种以该密封为底密封的闸门进行试验,评估了闸门的临界开度,提出将流固相互作用的求解器作为识别流体诱导振动的工具。EICK 等14测量了阿肯色河水力发电厂发电机组小闸门组的振动,使用加速度均方根定位振动源,找到了间隙大、发出异响的闸门,该方法可用于指导设计,维护闸门安全运行。MIRABI 等15将不同蓄水池与 0.1 0.9 等 9个闸门开度结合,发现在侧导槽内形成旋流,将其去除后闸门附近水流变得稳定,结论为旋流与侧导槽的相互作用是该闸门流动不稳定的原因。刘文彬16发现,在引水系统中有两个或更多闸门、闸门井时,水位波动存在波涌叠加作用,他进行了两个不对称的闸门井之间的模拟运动,发现不同数量、位置、面积的闸门井组合布置会使水流产生完全不同的波动变化,这也启发了本研究中多个闸门并行的思路。赵慧明等17使用平面二维 ADI 算法,对多个闸门平面二维模型进行了数值模拟,模型包括 18孔永定河拦河闸与处在同一轴线的小清河 11 孔原闸及 4 孔扩建闸、闸门间分水堤等,研究表明不同闸门之间分流量不是线性关系,间隔开启闸门易产生不良流态,应尽量用闸门全开等方式进行调度运行。最终水利部海河水利委员会对该研究进行了完善和补充,表明该模型可以应用到工程实际中。郑毅等18在前者的基础上,将该二维模型与径向基函数神经网络进941苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期行结合,进一步优化了多个闸门模型算法,模拟了洪水来临时多个闸门紧急排水工况,实现了洪水的实时模拟与多个闸门的联合调度,为其他复杂枢纽处紧急工况提供了参考。引导本文将研究重心放在实际生活中的多个闸门并行时紧急排水过水工况下,闸门流激振动与流场流态分析。目前,国内外学者对闸门-水体耦合及流激振动研究较多1-15,而闸门不同开启方案会对水流产生不同的影响;多道闸门联合运行调度研究局限于二维16-18。因此本文结合研究现状,提出使用三维建模仿真的方法,使用 Fluent 仿真模拟多道闸门 1 1三维建模,探究其运行规律,揭示多道闸门在实际工程应用中的流激振动特性。1 1 研研究究方方法法1.1 三维模型 本文对秦淮新河水利枢纽中某节制闸进行研究分析,该闸主要承担防洪排涝灌溉冲污等任务。模型的构建情况如图 1 所示。按实地情况设定模型参数为:闸前水位高度为 7.1 m,闸后水位高度为 7.0 m,流道入口到闸前流道长度为 75.0 m,流道出口到闸后流道长度为 105.0 m,流道宽度为 144.5 m。底板高程 0.0 m,闸墩顶高程 12.0 m,闸孔设有预制钢筋砼胸墙,墙顶高程 12.0 m,墙底高程 9.5 m。闸上设有公路桥,车道宽 7.0 m,桥面高程 12.0 m,工作便桥宽 2.5 m,桥面高程 12.0 m。共有 17 道闸门,均为平面闸门,分两种编组为 1、2,从右往左依次编号为 117。其 中,112 号 闸 门 为 第 一 组,尺 寸10 380 mm6 000 mm815 mm;1317 号闸门为第二组,尺寸 6 800 mm5 000 mm815 mm,闸门门叶布置 4 道横梁、4 道纵梁和 2 道边梁,相邻两梁间距600 mm,在 2001 年加固改造更换为钢结构平板闸门,选用材料为 Q235 钢。1.2 流固耦合理论 在势流体中,连续方程近似可使用标准伽辽金方法解出,考虑结构项的作用,便可得到流固耦合方程为MSS00MFFu +CUU+CSSCFUCUF-(CFF+(CFF)S)u+KUU+KSSKFUKUF-(KFF+(KFF)S)u=FSS0-FUFF+(FF)S(1)图 1 三维模型Fig.1 Three-dimensional model式中,u 为某个加速度有方向的变化量;为速度势二次求导后无方向的变化量;为某个势矢量 的变化量;u 为某个势矢量 u 的变化量;FU为考虑方向的外力;FF、(FF)S分别为该方程的体积与面积的积分项;MFF、CFF、KFF分别为流体的质量、阻尼、刚度矩阵;MSS、CSS、KSS、FSS分别为结构的质量、阻尼、刚度矩阵和载荷矢量;CUF、CFU分别为流体、固体的耦合阻尼矩阵;KUF、KFU分别为流体、固体的耦合刚度矩阵;(CFF)S、(KFF)S分别为流体与固体边界上的阻尼、刚度矩阵;CUU、KUU分别是流固耦合边界固体结构的阻尼、刚度矩阵1。当闸门局部开启时,水体与闸门的相互影响作用于闸门的迎水面,可使用以上方程计算本文工况。水与闸门的接触面就是流固耦合的作用面,本文将使用Workbench 的流固耦合功能进行模拟计算,该功能可以流场向结构场传递力,结构场向流场传递位移。1.3 条件设置 使用 ANSYS Workbench 软件,计算中使用的模块包括 Fluid Flow(fluent)模块,Transient Structural 瞬态应力模块,System Coupling 双向流固耦合模块。将模块中的 Geomety 相连以同步模型;fluent 模块设定水体条件,瞬态应力模块设定闸门条件,将二者的setup 同步至流固耦合模块,通过流固耦合模块计算流固耦合工况。闸门材料设为 Q235 钢,根据水利水电工程钢闸门设计规范(SL742019),该闸门容许应力调整系数取 0.90,抗拉、抗压和抗弯强度为 160 MPa。与水接触的其他部位是混凝土墙与闸门柱,材料为混凝土。设定流体部分节点数 192 291,单元数 963 598,固体部分节点数 446 683,单元数 252 213,闸门区域051苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 2 0.20.7 开度下闸门前后流场压力分布Fig.2 Pressure distribution of flow field in front and rear of gate at 0.20.7 opening degree精细绘制网格,确保主要研究内容计算精度得到保证。用 Minimum Volume(m3)与 Minimum Orthogonal Quality 两项参数进行网格质量检查,结果为合格。本文的模型基于现实中闸门的数据按原比例所建立,可以认为模型结构正确性、模型行为准确性、模型系统与实际系统一致性检验通过。关于 Fluent 设置,水流流动视作有自由水面情况下的的三维湍流流动,选用速度入口作为入口边界,压力出口作为出口边界,不同入口出口其他设置均默认。考虑到不同开度下的流量和流体与闸门接触面面积,入口速度设为 2 m/s;出口的静压设为 0,出口为大气边界条件。根据该水闸的实际工况,将出口水相体积分数输入为 1,空气相体积分数为 0,即设定该边界流出的只有水。其他边界均为普通墙(Wall)边界。无需考虑水流对闸室与流道之间的变形作用,认为流道面是没有产生滑移的壁面,选用标准壁面函数法作为壁面的选定函数。与地面接触部分添加固体支撑,流固耦合交界面添加流体固体界面。选用 Z 轴负方向为重力加速度方向,设定值为 9.81 m/s2。闸门底部水体为弯曲绕流,选用 RNG k-模型。求解器使用默认求解器即可(其他求解器如双精度求解器不适合本文工况)。其他参数如松弛因子等使用默认值。最后对时间步长、步数、最大迭代次数等参数进行设置,将时间步长设为 0.001,步数设为 10 000,最大迭代次数 20。2 2 结结果果与与分分析析在上述设置下,分别对开度 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 等 6 个工况的闸门流激振动进行模拟,在开度改变时,所有闸门高度同步变化。该情况主要应用于紧急情况下的过水排水,如 2016 年恶劣气候导致秦淮新河闸一度突破历史最高水位达到10.48 m,同年 10 月再次发生秋汛,高水位以及过水时带来的流动不稳定、不良流态会对闸门造成不利影响。本文研究开度对流激振动的影响,将开度作为唯一变量,分析结果可以为类似恶劣气候下紧急过水排水时闸门全开工况安全性运行提供一定参考。2.1 流场压力、速度分布情况 图 2(a)(b)是闸门开度为 0.20.7 时闸门前后区域流场分布情况侧视剖面图,图 2(c)是闸门在某开度下的速度矢量图。各开度下,水流经过闸门时受闸门作用,流场压力减小。各开度下最小压力均在闸后,及后半底缘出现负压,在经过闸门区域后压力压强有一个由大变小的过程,改变了水流流速使水流分开,在图 2(c)速度矢量图上可以看出该区域出现水流分离现象。随开度减小,流场中压力减小,闸前压力减小带逐渐明显。112 号闸门组对水压力减小的能力小于 1317 号闸门组。由于闸后流道中有混凝土墙划分水道,1317 号闸门后出现了小压力带,该压力带较下游流道内压力小,给予了水流一定缓冲,影响了该区域漩涡、回流等现象的产生。闸门开度变化,在数值上影响整个流场压力,在分布情况上主要影响闸门前后区域。开度越小,闸门上游压力越大,闸门下游压力越小。在后处理模块还能得到流场流速分布情况,发现与压力情况类似:随闸门开度增大,流场流速减小;闸门开度的变化主要影响闸门前后流场区域流速的分布,限于篇幅不再展示。不同开度下流场压力情况如表 1 所列。比较数值可知,随开度增大,流场最大压力与最小压力均减小。开度较小时开度的轻微变化能极大影响最值压力,开度从 0.2 增大至 0.3 时,最值压力减小幅度为55.2%、54.6%;开度从 0.6 增大至 0.7 时,最值压力减小幅度为 29.5%、26.8%。经过对比闸门与流场流激振动分布情况发现:开度较小时闸门前后区域均出现水流分离现象,平底式闸门在下部底缘产生空腔时无法及时补充空气,使得其在闸门后区域产生一段很不稳定的负压,在工程中151苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 表 1 不同开度下流场压力情况Table 1 Flow field pressure at different openings开 度最大压力/MPa最大压力/MPa0.20.369 40-0.161 100.30.165 60-0.073 180.40.090 86-0.042 710.50.056 72-0.036 890.60.037 28-0.025 240.70.026 29-0.018 48此时动水垂直力会呈现下吸力特性。通过对国内外研究进展的学习发现相比于完全的平板平底式闸门,前倾角底缘型式的闸门设计更为合理;流线型轮廓的水流条件较好,底缘水流分离现象不明显,生成的负压区域较小,数值较小。小开度时最大压力远大于最小压力,随开度增大,二者的差值逐渐减小,开度为0.7 时绝对值大小相近;分析原因是开度增大到一定程度后,闸门附近水体运动逐渐平稳,受空气相影响减小,流激振动带来的损害减小。2.2 闸门变形、应力分布情况 开度 0.20.7 下闸门变形分布情况如图 3 所示。最大变形区域在 15 号小闸门上端;两组闸门(112号、1317 号)内最大变形区域均在该组闸门中心附近。X 方向上,变形顺着最大区域向左右逐渐减小,沿该组闸门最中间大致对称。Z 方向上,变形顺着最大区域向闸门上下逐渐减小。面板壁薄且与水体充分接触,顺水流方向变形明显。随闸门开度增大,最大变形区域向闸门下部移动,闸门变形均值逐渐减小。每组闸门边缘的闸门变形情况与其他部位闸门不同,该位置闸门变形分布较为均匀,板面上变形较为均匀,体现在色图上就呈现板面上大部分区域颜色相同 或相近的样貌。开度 0.20.7 下闸门等效应力分布情况如图 4 所示。应力最大值区域分布于各个闸门面板的主梁、纵梁附近,应力分布顺着 X 方向的中心线对称。开度增大使闸门等效应力减小,原因是闸门开度减小,闸门高度降低,与水体接触面积增大,受水脉动压力增大。第一组闸门中,闸门最大应力位于面板中部偏下位置,整体应力分布为闸门中间应力大,向两侧减小。处在边缘位置的 1、12 号闸门面板应力分布与其他闸门分布有明显区别:非边缘位置的闸门高应力区域在结构梁上,分析认为正是结构梁的存在,使得闸门高应力分布区域不规则,边缘位置的闸门在边缘部位有少量高应力区,其他应力区均处在结构梁以及与中间部位闸门交界处。第二组闸门中,整体应力分布相反,中间小两侧大。随开度增大,闸门应力最大值区域没有明显变化。不同开度下闸门最大变形、应力情况如表 2 所列。对数值进行比较,得到结论:随开度减小,闸门最大变形逐渐增大。开度较小时开度轻微变化会极大影响应力,如开度从 0.2 增大至 0.3 时,后者的最大变形仅为前者的一半,减小幅度为 49.3%;而开度从 0.6 增大至 0.7 时,最大变形减小幅度为 25%。同时对 X(横河向)、Y(顺水向)、Z(竖直向)三个方向的变形进行了分析,发现 X 向最大变形出现在闸门纵梁与面板顶部相接处;Y 向与 Z 向最大变形出现在闸门模型上横梁的中间部位,限于篇幅本文只展示三个方向上的变形随开度变化的点线图,如图 5所示。三个方向变形量均随开度增大而减小,但变形较小,变化幅度也较小,X 向变形最小,因为 X 向与 图 3 闸门不同开度下流激振动变形分布Fig.3 Distribution of flow induced vibration deformation of gate with different opening degrees251苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 4 闸门不同开度下流激振动等效应力Fig.4 Equivalent stress of flow vibration of gate with different opening degrees表 2 不同开度下闸门最大变形、应力情况Table 2 Maximum deformation and stress of gate under different opening degree开 度最大变形/mm最大应力/MPa0.210.96197.8700.35.55639.4270.43.60019.3120.52.61511.9850.61.8529.4850.71.3886.883图 5 闸门总变形、X 向、Y 向、Z 向变形随开度变化Fig.5 The total deformation of the gate and the X、Y、Z direction deformation vary with the opening水流方向不同,受水体的流激振动力较小。在脉动压力的作用下,闸门整体发生顺水向和垂直向的变形,因此 Y 向和 Z 向变形较大。随开度减小,闸门最大应力逐渐增大。最大应力变化情况与变形类似,即开度较小时开度轻微变化会极大影响最大应力值,开度从 0.2 增大至 0.3 时,最大应力减小幅度为 59.7%;而开度从 0.6 增大至 0.7时,最大应力减小幅度仅为 27.4%。闸门应力主要集中在结构中下部,上部结构应力水平较低,纵、横梁处应力最大,分析是下泄水流的脉动荷载集中作用在闸门中下部,使得结构整体应力水平也随之增大。3 3 模模态态分分析析 由于闸门处在水中,闸门与水体可能会产生耦合作用,流体对闸门可能造成影响使其振动特性发生改变。模态分析可以通过对系统方程特征值和特征向量的求解来获得结构的固有频率及对应振型,因此研究中常常使用模态分析法来探究流体对闸门振动特性的影响。为研究闸门振动问题,本章将对闸门进行模态分析,探究闸门振动频率与振动的响应关系,以达到减轻闸门振动的目的。闸门无水、有水情况下前六阶振型分别如图 6、图 7 所示,变形从大到小对应颜色依次为红橙黄绿青蓝紫。闸门不同振型下的无水、有水状态的固有频率如表 3 所列。表 3 不同振型下无水、有水状态对应的固有频率Table 3 Natural frequencies corresponding to the state without or with water under different modes阶 数无水状态振动频率/Hz有水状态振动频率/Hz一 阶3.1752.745二 阶15.37612.936三 阶22.93422.399四 阶23.89723.619五 阶54.57248.969六 阶64.54355.079351苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 6 无水状态前六阶振型Fig.6 First six modes without water图 7 有水状态前六阶振型Fig.7 First six modes with water 对比发现,前六阶整体来看有水状态固有频率小于无水状态固有频率;有水状态下前五阶均为闸门整体振动,无水状态下仅在前三阶下为闸门整体振动,其余均为闸门内部梁系振动。流固耦合对自振频率的影响是非线性的,高阶振频因水体作用而显著降低,低阶振型易引起闸门整体结构的振动位移,是影响闸门安全运行的重要因素。在变化幅度上,该模型在低阶数时阶数增加振动频率增加量非常大:有无水状态下从一阶到二阶振动频率增幅分别为 383%、371%;有无水状态下从五阶到六阶振动频率增幅仅为 18%、12%。这意味着本文工况下水体会对闸门振型产生影响,引起流场变化,使该闸门受到额外的流场作用力,使该闸门的振动更加剧烈。因此需要充分考虑结构与流体的相互作用,而不能只做闸门与水体相互作用的静力计算,这也是本文通过流固耦合方法来研究闸门流激振动问题的意义所在。4 4 结结果果讨讨论论 本文主要使用 Fluent 三维仿真研究多道闸门联合运行调度。目前对闸门进行三维仿真的研究较为丰富,但这类研究对象往往是某个闸门或某类闸门,侧重于研究其振动特性,没有宏观的研究多个闸门联合运行时整体的运行规律。而对多个闸门联合运行的已有研究较少,且研究对象是二维模型,如文献17、18等,该类研究更加宏观,计算效率更高,但在流激振动、多相流等类型研究中计算结果不够直观,仿真程度不如三维模型好。本文方法存在局限性,如三维仿真计算效率较低,往往单一工况花费时间就很长;修改工况参数可能需要从三维建模开始修改,之后进行网格划分、边界条件设置等,不如二维计算条件修改简便。通过对真实存在的某水利枢纽进行研究分析,计算结果与实地测量结果吻合较好。本研究存在的不足主要是构建的三维模型较为粗糙,研究对象是秦淮新河上的水利枢纽,真实图纸非常复杂,使用几何模型完全呈现工作量太大,本文只进行了较为粗糙的建模。未来,对多个闸门联合运行调度的三维仿真可以与 BIM 技术结合,将附属的水工建筑物、具体的材料种类等参数在模型上完全呈现,提高仿真程度。5 5 结结 论论 本文使用 WB 软件的双向耦合功能,对某多道闸门的三维模型进行了流激振动研究,模拟了实际工程应用中的闸门-水体影响关系,研究结果表明:(1)随开度增大,闸门变形、等效应力、流场压力均减小;闸门变形分布变化;应力分布无明显变化;流场压力数值上影响整个流场,分布上影响闸门451苏圣致,等/不同开度下某闸门流激振动数值模拟研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期前后。两组闸门变形均沿中轴线对称分布,两组闸门应力分布完全相反。流场速度受闸门不同开度的影响与压力受到的影响类似。(2)流场内有空腔无法及时补充空气,使其在闸前闸后产生不稳定的负压,造成了空化现象,但在开度增大后水流变得平稳,该现象逐渐消失。闸门在脉动压力作用下,竖直方向(Z)与顺水流方向(Y)的变形相比横河向(X)更大。(3)闸门开度越小,变形与应力越大,危险性越大。开度较小时开度轻微变化会极大影响应力、变形的变化,开度 0.2 增大至 0.3 时,闸门最大变形减少49.3%,最大应力减小 59.7%;流场最大压力减少55.2%,最小压力减少 54.6%。当所有闸门同时开启、紧急排水的工况下,闸门应尽量避免长期处在小开度下运行。(4)通过对多道闸门同时运行三维仿真模拟,发现不同区域闸门变形分布不均,边缘区域闸门与非边缘区域闸门有截然不同的分布规律。应力分布更加不均,不同位置闸门应力差可达 9 倍(0.2 开度下 97.87MPa/10.318 MPa),这种异常的变形、应力分布可能使边缘区域闸门面板结构性损坏。参考文献(References):1 刘权,张燎军,关超年.高水头平面闸门流激振动的数值模拟J.水电能源科学,2014,32(1):176-179.LIU Quan,ZHANG liaojun,GUAN chaonian.Numerical simulation of flow induced vibration of high head plane gateJ.Hydropower energy Science,2014,32(1):176-179.2 常富,纪伟.平面钢闸门流固耦合分析与优化设计J.水利与建筑工程学报,2018,16(2):184-188.CHANG Fu,JI Wei.Fluid structure coupling analysis and optimiza-tion design of plane steel gateJ.Journal of water conservancy and building engineering,2018,16(2):184-188.3 彭思贤,赵兰浩,毛佳.大宽高比弧形钢闸门流激振动数值分析J.水利水电科技进展,2022,42(3):90-96.PENG Sixian,ZHAO 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