平面鋼閘門自由出流流固耦合數值模擬

萬宇飛 楊光明 郭軍良

摘 要：針對某露頂式平面鋼閘門自由出流下水動力特性及閘門動態響應進行研究，基于ANSYS Workbench平臺的Fluent流體分析模塊及Static Structural固體結構分析模塊，結合動網格技術采用VOF法捕捉閘門開啟過程時自由表面流，獲得了閘門開啟過程中瞬時流速、動水壓力、湍動能的發生發展過程。同時，考慮動水壓力變化，進行水流-閘門的單向流固耦合數值模擬，閘門應力、應變時程變化規律表明：閘門起吊時各構件最大等效應力大于起吊前的;開啟過程中，各項最大應力隨時間非線性減小;最大應力值及最大變形主要集中在底部主橫梁靠近中間縱梁區域。

關鍵詞：平面鋼閘門;動水開啟;水動力特性;流固耦合;應力應變

中圖分類號：TV663+.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.023

Abstract： In view of the hydrodynamic characteristics and dynamic response of free flow out of a top emersed top steel gate， basing on the Fluent fluid analysis module and the Static Structural solid structure analysis module of ANSYS Workbench platform， the free surface flow of gate opening was captured by the dynamic grid technology and VOF method， then， the occurrence and development process of instantaneous velocity， dynamic water pressure and turbulent kinetic energy under the gate opening were obtained. At the same time， considering the change of the dynamic water pressure， the numerical simulation of unidirectional fluid-solid coupling of the water gate was carried out. The law of the stress and strain term changes indicates that the maximum equivalent stress of gate members after lifted is greater than that in normal water retaining condition; the maximum stress decreases with the opening time; the maximum stress value and deformation are mainly concentrated on the areas of bottom main beams near the middle longitudinal beam.

Key words： plane steel gate; gate opening; hydrodynamic characteristic; fluid-structure interaction; stress and strain

水工鋼閘門的安全運行至關重要，閘門開啟過程中以及固定開度下泄流時閘下流體的不穩定性很容易引起閘門的空蝕和振動。其中，平面閘門動水啟閉的水動力特性復雜，是水工閘門設計、研究的難點[1-3]。

近年來，隨著計算機技術迅速發展，數值計算方法因避免了原型觀測方法費用高、條件受限等問題，無模型試驗的縮尺效應等，而在閘門動水啟閉研究方面得到了廣泛應用[4]。如沙海飛等[5]采用網格變形與結構重構的方法實現了動網格對閘門開啟過程非恒定流的數值模擬，得到了不同開啟速度下的水動力特性;章晉雄[6]結合平面事故閘門動水關閉的水力學模型試驗，用數值模擬方法分析了平面閘門動水關閉的水動力荷載;訾娟[7]對平面、弧形閘門啟閉過程中的動水啟閉力做了研究;馬崢等[8]對三峽船閘末級閘首閥門段輸水廊道水流狀態進行了二維、三維數值模擬，比較不同開啟速率和一定開度下緊急閉門時內部流場變化;楊婷婷等[9]針對不同開度下泄流的平面閘門進行數值模擬，運用標準RND k-ε湍流模型和VOF法，獲得了閘門周圍流場壓力、流速、湍動能的變化規律。而針對平面閘門動水開啟兩相流數值模擬方面的研究較少。筆者在前人研究固定開度下水動力特性及流固耦合特性的基礎上，進行了閘門開啟動態過程的水力分析，并首次嘗試閘門開啟過程的單向流固耦合模擬，得到了閘門應力、應變計算結果。

1 動網格與自由表面流VOF模型

1.1 動網格技術

動網格技術要點存在兩大問題：運動方式的描述以及網格的再生[10-11]。

定義物體部件的運動時常用速度進行表達。速度定義方式分為兩種類型：一是顯式定義，部件為主要運動，即給定運動部件的速度;二為隱式定義，無法直接獲得速度，通過牛頓定律計算得到，又稱被動運動。閘門運動則采用顯式定義。

動網格算法主要用來計算內部網格節點的調節，在FLUENT中有鋪層、彈性光滑、局部重構三種算法。其中動態鋪層方法適用于邊界線性運動和四面體、六面體或三棱柱網格。本文流體計算域即采用六面體網格和動態鋪層法處理網格問題。

1.2 VOF自由表面流數學模型

閘門開啟過程中，閘后流動區域水、氣互不相溶，屬于水氣兩相分層流動，采用VOF法能處理自由表面流的非線性變形問題，該方法計算量小且簡易可行[12]。

2 三維建模與求解設置

2.1 工程實例

以某水利工程露頂式泄洪閘平面工作閘門為研究對象。梁格采用等高布置，閘門底檻高程為42.60 m。主橫梁和邊、縱梁均為T形截面梁，其中：主橫梁4根，編號1#～4#;小橫梁為18號槽鋼，共3根，編號1#～3#（從上到下）;邊梁4根，縱梁1根，編號1#～5#（從左到右）。

工作閘門材料為Q235，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.85×103 kg/m3。閘門與啟閉機的主要工作參數見表1。

2.2 流體模型

2.2.1 建模及網格劃分

在ICEM CFD中完成流體的建模及網格劃分，采用速度入口，有流量進入。如果閘前水體較少，則容易引起閘前水位劇烈波動，實際上閘前水體巨大，即使開閘，閘前水位變化也不大，取較長的流體計算域即模擬這種情況，故取閘前水體長度為110 m，同時閘后計算域長度為20 m[13]。以順流道中心面建立對稱模型，模型寬度為1.73 m，高度取8 m。坐標系以順水流方向為x軸，豎直向上為y軸，流道側面指向中心面的方向為z軸。閘門面板位置x=10 m。

為保證計算結果的精確性，對模型閘門區網格進行加密，建模時把閘門附近流體單獨分離作為Part1劃分網格，此區域前后流體作為Part2劃分網格。劃分網格單元總數為840 465個，節點總數為901 240個。流體計算域如圖1所示，閘門區網格局部放大見圖2。

2.2.2 計算條件設置

設置計算域水流進口為速度入口，入流速度為0.5 m/s，空氣進口面為對稱邊界，出口面設置為壓力出口，相對壓力為0，流道底面和閘門表面均為固壁邊界條件，其余側面及頂部邊界設為對稱邊界。壁面函數選取標準壁面函數，求解器選擇基于壓力的分離式求解器，算法采用PISO算法[14]。

在FLUENT動網格流場計算中，固體區域被視為剛體，用包圍固體運動域的邊界來表示固體，閘門即是如此。用Profile文件來定義邊界運動，初始條件為閘門關閉。

2.3 閘門模型

閘門模型在Design Modeler中建立。閘門開啟過程中，在吊耳處施加豎直方向的約束，在滾輪處施加水流方向的約束，面板處施加寬度方向的約束;閘門關閉時，在閘門底部施加豎向位移約束，滾輪處施加水流方向的約束，面板處施加寬度方向的約束。

使用Automatic對模型進行自由網格劃分，總體網格尺寸選用30 mm×30 mm，吊耳孔、主輪軸孔處進行加密處理，網格尺寸為10 mm×10 mm，劃分單元總數為81 655個，節點總數為219 498個。完整的閘門模型如圖3所示。

3 閘門開啟過程水動力特性分析

3.1 瞬態流速分布

瞬態流速分布規律：水流最大流速隨開啟時間而逐漸減小，最大流速出現的范圍由閘門底緣附近逐漸向流道后部轉移。水流Vm時程曲線見圖4。

3.2 流場壓力分布

動水壓強分布規律：各時刻動水壓強最大值均出現在閘門底緣后方，動水壓強的變化趨勢與水流速度的變化趨勢一致，水流速度越大的地方動水壓強也越大。隨著開度的增加動水壓強最大值所在區域向流道后方轉移，且動水壓強大于零的區域緩慢向閘前水體擴展，底止水前下方區域固定位置處動水壓強隨時間緩慢增大。

隨著閘門的開啟，面板動壓力先呈拋物線形增加，在t=11.26 s達到最大值3 877.57 N，隨后逐漸下降，在t=20 s左右動壓力出現波動，并在波動中逐漸下降，原因是t=20 s左右閘前水面處出現旋渦和涌浪。到達t=33 s左右，動壓力逐漸減為0，原因是此時閘門底緣脫離水面，水體不再對閘門構成影響。面板動壓力時程監測曲線見圖5。

3.3 湍動能分布

湍動能分布規律：自由出流下湍動能較大的區域主要發生在水氣交界面的氣體區域，水體中最大湍動能不超過0.5 J/kg且逐漸向后移動，數值逐漸減小，對閘門區的影響不大。圖5 面板動壓力時程曲線

4 閘門結構分析

4.1 單向流固耦合設置

本文采用FLUENT軟件和Static Structural模塊分別對流體部分和固體部分進行計算分析，在計算閘門開啟全過程流場狀態的基礎上，提取多個時刻流體分析結果，作為閘門結構分析的表面荷載，完成閘門單向流固耦合分析。

自由出流情況下閘門和水體接觸的面為面板，故設面板為流固耦合面。計算前，將閘門模型位置調整至流體中閘門相對應的位置，以便面板水壓力傳遞。

4.2 結構應力分析

提取閘門開啟過程中t=0、1、5、10、15、20、25 s時流體計算結果，進行閘門結構的應力、應變分析。其中t=0 s時分為兩種工況：一是啟閉機未啟動;二是啟閉機啟動，閘門開始脫離地面。兩種工況分別設為0-s、0+s，以下均將t=0+s工況值賦值于t=0 s工況進行作圖。

4.2.1 面板應力分析

面板最大等效應力時程曲線見圖6。

（1）t=0-s工況最大等效應力為102.74 MPa，t=0+s工況最大等效應力為109.49 MPa，增大了6.6%左右。閘門在剛剛開啟時，面板等效應力突增，隨著閘門的開啟，面板最大等效應力呈非線性減小趨勢。

（2）各工況下最大等效應力出現的位置多數在4#主橫梁（底主梁）與底緣靠近3#縱梁的肋板交界處。主要原因是此處各構件相互連接，受力復雜，動水情況下閘前水壓力并非如靜水壓力那樣為線性分布，靠近底緣的水流速度逐漸增大，導致靜壓減小。

4.2.2 主橫梁應力分布

主橫梁應力絕對值時程曲線見圖7。

（1）t=0-s工況最大等效應力為67.62 MPa，t=0+s工況最大等效應力為72.65 MPa，t=0+s工況比t=0-s工況主橫梁等效應力增加7.4%。閘門剛剛開啟時受力條件的變化使主橫梁等效應力突增，主橫梁應力隨時間總體呈下降趨勢。

（2）等效應力較大的區域主要集中在3#、4#主橫梁上，隨著閘門的開啟，1#主橫梁靠近吊耳處應力相對值逐漸增大。

4.2.3 縱 梁

縱梁應力絕對值時程曲線見圖8。

（1）t=0-s工況最大等效應力為54.86 MPa，t=0+s工況最大等效應力為56.82 MPa。隨后應力最大值逐漸減小，其中等效應力和x向正應力減小幅度較大，剪應力和y向正應力減小幅度較小。

（2）t=0+s工況和t=0-s工況等效應力的分布相似。閘門開啟過程中t=1 s到20 s時等效應力的分布均一致，最大等效應力的位置也一樣，均處在3#縱梁在3#、4#主橫梁之間部分的中間位置。t=25 s時，最大等效應力轉移到3#縱梁頂部位置，原因在于此時開度較大，水壓力較小，重力成為影響內力的主要因素。

4.3 結構變形分析

繪制各時間工況下閘門結構變形云圖，其中t=0-s工況下閘門變形云圖見圖9。

各時間工況下閘門結構最大變形見表2。

t=0+s工況與t=0-s工況相比，閘門變形量相同，均為2.58 mm，說明閘門剛剛開啟時受力條件的變化對閘門變形沒有影響，此后各工況下變形量逐漸減小。閘門最大變形量所在的位置在3#、4#主橫梁與靠近3#縱梁的面板區格的中心位置。閘門開啟過程中結構最大變形的分布位置保持不變，可以對該區域進行優化設計。

5 結 論

針對某露頂式平面閘門開啟過程自由出流的非恒定流問題，兼容使用動網格與VOF模型進行三維仿真模擬，得到了流速、壓力、湍動能時程分布規律，在定性上是可信的。

水體-閘門的單向流固耦合分析結果表明：閘門剛剛起吊時等效應力大于起吊前;隨著時間變化，應力呈非線性減小趨勢;各構件應力最大值及最大變形區域主要集中在3#、4#主橫梁之間靠近3#縱梁的梁格區域，且分布區域隨時間變化不大。

本文建模時沒有考慮門槽的影響，實際上水流從閘門底緣靠近邊梁處射出后，會急劇側向擴散，在門槽中形成旋渦，且在下游邊壁處產生脫壁分離，該現象對閘門的影響還需深入研究。

參考文獻：

[1] 胡友安，王孟.水工鋼閘門數值模擬與工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2010：3-6.

[2] 國家能源局.水電工程鋼閘門設計規范： NB 35055—2015[S].北京：中國電力出版社，2016：2-3.

[3] 古華，嚴根華.水工閘門流固耦合自振特性數值分析[J].振動、測試與診斷，2008（3）：242-246.

[4] KUNUGI T. MARS for Multiphase Calculation[J]. Computational Fluid Dynamics Journal， 2001， 19（1）： 563-571.

[5] 沙海飛，周輝，吳時強，等.用動網格模擬閘門開啟過程非恒定水流特性[C]//中國水利學會第二屆青年科技論壇文集.鄭州：黃河水利出版社，2005：311-315.

[6] 章晉雄.高水頭平面事故閘門動水關閉水動力特性及門槽水力特性研究[D].北京：中國水利水電科學研究院，2013：128.

[7] 訾娟.水工閘門啟閉過程中的動水垂直力的數值模擬研究[D].天津：天津大學，2012：80.

[8] 馬崢，張計光，陳紅勛，等.三峽永久船閘輸水廊道水動力學特性研究[J].水動力學研究與進展：A輯，2007（2）：175-181.

[9] 楊婷婷，何士華，沈春穎，等.不同開度下平面閘門水動力特性數值分析[J].云南水力發電，2016（1）：34-37.

[10] 朱紅鈞.FLUENT15.0流場分析實戰指南[M].北京：人民郵電出版社，2015：333-340.

[11] 朱仁慶，楊松林，王志東.閘門開啟過程中水體流動的數值模擬[J].華東船舶工業學院學報，1998（3）：19-22.

[12] 張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應用綜述[J].水利水電科技進展，2005（2）：67-70.

[13] 張學森.基于流固耦合數值模擬的深孔平面鋼閘門底緣結構型式研究[D].楊陵：西北農林科技大學，2011：6.

[14] 劉亞坤，倪漢根，葉子青，等.水工弧形閘門流激振動分析[J].大連理工大學學報，2005，45（5）：731-734.

【責任編輯 張華巖】