基于ＬＥＳ 的水工鋼閘門流激振動數值模擬研究

郭博文 高玉琴 范冰 劉智

摘 要：針對鋼閘門流激振動機制的復雜性以及鋼閘門流激振動在工程實際中的多發性，以二維平板鋼閘門為例，基于ＡＤＩＮＡ 有限元分析軟件，建立了不同開度的流場有限元模型和固體有限元模型，探究了不同開度時水工鋼閘門動力響應規律，闡明了單、雙向流固耦合作用下鋼閘門動力響應差異，揭示了水工鋼閘門流激振動機制。結果表明：１）隨著開度的增大，流場不同位置處脈動壓力逐漸減小，鋼閘門附近旋渦脫落的頻率逐漸降低；２）對于水工鋼閘門而言，可以采用單向流固耦合代替雙向流固耦合進行計算；３）水工鋼閘門流激振動產生的機制主要是鋼閘門周圍旋渦脫落頻率與鋼閘門結構第一階自振頻率一致或相近，導致鋼閘門發生了共振。

關鍵詞：鋼閘門結構；流激振動；數值分析；大渦模擬

中圖分類號：ＴＶ６９１；ＴＶ６６３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２３

引用格式：郭博文，高玉琴，范冰，等．基于ＬＥＳ 的水工鋼閘門流激振動數值模擬研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１２６－１３１．

閘門在運行過程中必然存在水流和閘門的相互作用，水流作用于閘門引起閘門的振動，反過來閘門的振動又影響周圍流場，這種現象被稱為流激振動。閘門流激振動是一種極其復雜的流體與結構相互作用現象，屬于典型的流固耦合問題。研究發現，國內外閘門失事大多數是由流激振動引起的，閘門的損壞甚至失事不僅會導致水資源的浪費，嚴重的還會影響整個樞紐運行的安全可靠性。

近年來，隨著國內外水利水電建設的飛速發展，鋼閘門承受的水頭逐漸增大，高水頭下過閘流速較大，不良的水流條件極易引起鋼閘門的流激振動。目前，國內外主要通過原型觀測、模型試驗、數值計算３ 種方法來研究閘門的流激振動問題。隨著數值計算理論的發展和計算機運算能力的提高，近些年來數值計算方法被廣泛地運用到解決閘門流激振動問題中［１－１２］ ，但由于問題的復雜性，目前仍然存在一些尚未得到圓滿解決而又備受工程界關注的問題。因此，針對鋼閘門流激振動機制的復雜性以及鋼閘門流激振動在工程實際中的多發性，為保證鋼閘門在復雜水流狀態下正常運行，有必要開展鋼閘門流激振動機制研究。平底緣平面鋼閘門流激振動具有閘門底緣形式簡單、閘門振動形式單一、流激振動現象明顯等特點，便于深入研究閘門流激振動機制。本文基于大渦模擬技術，針對二維平板鋼閘門，探究不同開度下水工鋼閘門動力響應規律，揭示水工鋼閘門流激振動機制。

２ 有限元計算模型

２．１ 有限元模型

針對水工鋼閘門結構１０％、３０％、５０％、７０％、９０％等不同開度，基于ＡＤＩＮＡ 有限元分析軟件，分別建立二維流場有限元模型和鋼閘門固體有限元模型。其中，對于流體模型，經過前期試算，閘門前部模型范圍為３ 倍洞身高度及閘門后部模型范圍為７ 倍洞身高度時，可以控制網格數量，提高計算速度，還能夠保證流態充分發展。模型均采用四邊形單元進行離散，為了減小計算量，流體和固體交界處采用非協調網格。１０％、３０％、５０％、７０％和９０％等不同開度時流場模型網格數量分別為１００ ４００、１０１ ２００、１０２ ０００、１０２ ８００、１０３ ６００，固體模型網格數量分別為２５０、１６０、１６０、１６０、１６０，有限元模型見圖１、圖２。

另外，為了更準確捕捉閘門前后流場的脈動壓力，對閘門位置附近流場模型進行了局部加密，以１０％閘門開度的流場有限元模型為例，局部加密情況見圖３。

２．２ 計算參數

水體密度?。?０００ ｋｇ／ ｍ３，動力黏性系數μ ?。埃埃埃?Ｐａ·ｓ；鋼閘門材料為Ｑ３４５Ｂ 鋼，密度?。?８５０ ｋｇ／ ｍ３，彈性模量?。玻埃叮?ＧＰａ，泊松比為０．３。計算過程中時間步長設置為０．００５ ｓ，共計算４ ０００ 步，計算時長為２０ ｓ。經初步試算，流體在５ ｓ 左右已得到充分發展，為節約存儲空間，流體計算結果從１０ ｓ 時開始儲存，且每隔２０ 步輸出１ 次計算結果。

２．３ 邊界條件

對于流場有限元模型，各邊界位置如圖４ 所示，其中：在入口處施加流速邊界，速度為１．０ ｍ／ ｓ；頂部和底部施加ｗａｌｌ 邊界；與鋼閘門接觸部位施加流固耦合邊界；出口采用自由出流。對于鋼閘門有限元模型，與水體接觸部位施加流固耦合邊界，其余部位施加固定約束。

３ 有限元計算結果與分析

３．１ 基于雙向流固耦合的不同開度平板鋼閘門動力響應分析

３．１．１ １０％開度的水工鋼閘門動力響應

３．１．１．１ 鋼閘門計算結果分析

圖５（ａ）和圖５（ｂ）分別給出了雙向流固耦合作用第２０ ｓ 時１０％開度的鋼閘門在水流作用下的位移云圖和第一主應力云圖。為便于對１０％開度的水工鋼閘門動力響應進行分析，選取如圖５（ｃ）所示位置作為特征點。從圖５ 可以看出，在水流作用下，鋼閘門底部產生了順水流向位移，其中，特征點Ａ 處順水流方向位移最大值為０．９６ ｍｍ，且隨著閘門高程增加，其數值逐漸減??；同時，受水流作用影響，特征點Ｂ 處出現了較大第一主應力，其最大值為３０．８５ ＭＰａ。

圖６ 給出了特征點Ａ 處順水流方向位移時程曲線和特征點Ｂ 處第一主應力時程曲線。從圖６ 可以看出，在水流作用下，特征點Ａ 處順水流方向位移和特征點Ｂ 處第一主應力出現了一定程度的振蕩。

３．１．１．２ 流場計算結果分析

圖７ 給出了１０％開度的流場。從圖７ 中看出，鋼閘門底部以及沿水流方向一段距離處流速較大，且在鋼閘門底部和后方形成了不同程度的旋渦。

圖８ 給出了１０％開度的壓力分布云圖，由圖８ 看出在鋼閘門迎水面底部位置出現了較大脈動水壓力。為便于分析，選取如圖９ 所示位置作為特征點，圖１０（ａ）給出了特征點Ｃ 處脈動水壓力時程曲線，可以看出，旋渦的脫落，使特征點Ｃ 處脈動水壓力出現了一定程度的振蕩。為了分析旋渦脫落的頻率，對脈動水壓力進行傅里葉變換，圖１０（ｂ）給出了特征點Ｃ 處脈動水壓力頻譜曲線。特征點Ｃ 處脈動水壓力主頻約為１．１２ Ｈｚ。

３．１．２ 不同開度時水工鋼閘門動力響應計算結果對比分析

圖１１ 給出了不同開度時流場特征點Ａ 處順水流方向位移和特征點Ｃ 處脈動水壓力計算結果對比情況。由圖１１ 可以看出，１０％開度時鋼閘門底部順水流方向位移最大，其余開度時鋼閘門順水流方向位移基本為０；隨著開度的增大，流場特征點Ｃ 處脈動水壓力逐漸減小。表１ 給出了不同開度時流場旋渦的脫落頻率，隨著開度的增大，旋渦脫落的頻率逐漸降低。

３．２ 基于單、雙向流固耦合的１０％開度平板鋼閘門動力響應對比分析

圖１２（ａ）和圖１２（ｂ）給出了考慮單向流固耦合作用第２０ ｓ 時１０％開度的鋼閘門在水流作用下的位移云圖和第一主應力云圖。由圖１２ 可知，在水流作用下，鋼閘門底部產生了順水流方向位移，其中，特征點Ａ 處順水流方向位移最大值為０．９６ ｍｍ，且隨著閘門高度增加，其數值逐漸減??；同時，受水流作用影響，鋼閘門在特征點Ｂ 處出現了較大第一主應力，其最大值為３１．０５ ＭＰａ，與考慮雙向流固耦合作用計算結果基本一致。

圖１３（ａ）和圖１３（ｂ）分別給出了單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門特征點Ａ 處順水流方向位移時程和特征點Ｂ 處第一主應力時程計算結果對比情況。

可以看出，單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門的動力響應規律基本一致。這主要是在水流作用下鋼閘門變形較小，固體的變形對流場的影響基本可以忽略。

同時，為了更深入地分析單向、雙向流固耦合計算結果的差異，圖１４（ａ）和圖１４（ｂ）分別給出了特征點Ｃ 處脈動水壓力時程曲線和脈動壓力頻譜曲線。由圖１４ 可知，單向、雙向流固耦合作用下脈動水壓力變化規律基本一致，且單向流固耦合作用下特征點Ｃ 處脈動水壓力主頻約為１．０６ Ｈｚ，與雙向流固耦合計算結果基本一致。

綜上所述，對于水工鋼閘門而言，可以采用單向流固耦合代替雙向流固耦合進行計算，這樣一方面可以保證結果的準確性，另一方面可以節約計算時間。

３．３ 平板鋼閘門流激振動機制探究

首先，采用勢流體單元模擬鋼閘門前后水體與鋼閘門的相互作用，對鋼閘門進行自振特性分析。以１０％開度為例，鋼閘門自振特性計算采用的有限元模型如圖１５ 所示。

表２ 給出了考慮鋼閘門前后水體作用和未考慮鋼閘門前后水體作用時鋼閘門的前兩階自振頻率。由表２ 可知，考慮鋼閘門前后水體作用時，閘門的自振頻率明顯降低，因此在進行閘門自振特性分析計算時，有必要考慮鋼閘門前后水體作用；同時考慮鋼閘門前后水體作用時，閘門的第一階頻率為３６．２４ Ｈｚ，遠高于旋渦的脫落頻率（約為１．１２ Ｈｚ），不會發生共振現象。因此，１０％開度時鋼閘門的動力響應計算結果偏小。

為了揭示水工鋼閘門流激振動機制，在保證水工鋼閘門剛度不變的前提下，通過增大鋼閘門的質量來調整鋼閘門的第一階自振頻率，使其與旋渦脫落頻率基本一致。表３ 給出了考慮鋼閘門前后水體作用下質量調整前后的閘門自振頻率。由表３ 可知，調整后的鋼閘門第一階自振頻率為１．０３ Ｈｚ，與旋渦的脫落頻率接近。

對質量調整后的鋼閘門結構進行雙向流固耦合計算，并與調整前的計算結果進行對比（圖１６ 給出了質量調整后鋼閘門的動力響應計算結果）。由圖１６ 可知，質量調整后鋼閘門的動力響應整體比質量調整前偏大，其數值是質量調整前計算結果的１０ 倍左右。

由上述分析可知，在未改變來流速度和鋼閘門剛度的情況下，質量調整后鋼閘門的動力響應整體比質量調整前偏大，由于鋼閘門的第一階自振頻率與旋渦脫落頻率相近，導致鋼閘門與水流作用出現了共振現象，因此水工鋼閘門流激振動產生的機制主要是鋼閘門流場周圍的旋渦脫落頻率與鋼閘門結構第一階自振頻率一致或相近，導致鋼閘門發生了共振。

４ 結論

以平板鋼閘門為例，建立了不同開度的二維流場有限元模型和水工鋼閘門固體有限元模型，并對其進行流固耦合計算分析，探究了不同開度時水工鋼閘門動力響應規律，闡明了單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門動力響應差異，揭示了水工鋼閘門流激振動機制。具體結論如下：

１）隨著開度的增大，流場不同位置處脈動水壓力逐漸減小，鋼閘門附近旋渦脫落的頻率逐漸降低。

２）對于水工鋼閘門而言，由于在水流作用下鋼閘門變形較小，固體的變形對流場的影響基本可以忽略，因此可以采用單向流固耦合來代替雙向流固耦合進行計算，這樣一方面可以保證結果的準確性，另一方面可以大大節約計算時間。

３）水工鋼閘門流激振動產生的機制主要是鋼閘門流場周圍的旋渦脫落頻率與鋼閘門結構第一階自振頻率一致或相近，導致鋼閘門發生了共振。

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【責任編輯 簡 群】