孫濤，仇寶云，黃先北，周晨露，倪春，于賢磊，薦威，雍成林

(1. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000； 2. 揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

垂直提升式平面鋼閘門由于結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1].由于水閘上下游水位以及調(diào)水需求的變化，不少閘門在使用中存在正向擋水與反向擋水2種情況[2-3].閘門反向擋水時(shí)面板貼近下游，而梁系結(jié)構(gòu)則貼近上游，與正向擋水相比，閘門泄水時(shí)受力復(fù)雜.江蘇省某閘站樞紐節(jié)制閘在反向擋水時(shí)，出現(xiàn)了實(shí)測啟門力超過液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)值50%左右，嚴(yán)重時(shí)不能啟門，經(jīng)多次現(xiàn)場檢查和驗(yàn)算，排除了啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)、選擇與工作問題，因此，閘門反向擋水時(shí)啟門力大幅增大，從而給啟閉機(jī)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來極大的隱患.

關(guān)于啟門力的降低方法，一些學(xué)者從啟閉機(jī)布置[4]與閘門升降技術(shù)[5-6]兩方面進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的方案.然而，這些方案往往適用于新建閘門，而對于已建成的閘門并不適用.因此，需從閘孔過流流動(dòng)本身出發(fā)，探尋更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)方法.

還有學(xué)者從不同方面給出了啟門力中下吸力、行走支承的摩擦力和止水摩擦力的計(jì)算方法[7-10].劉鵬等[6]探討了流激振動(dòng)對啟門力的影響，提出了作用于閘門面板上的激振力計(jì)算公式；高仕趙[7]研究了泥沙淤積對啟門力的影響；KOSTECKI等[9]闡述了閘門下降過程中非穩(wěn)定流動(dòng)引起的水動(dòng)力特性.值得注意的是，當(dāng)閘門激振力較小，或水力條件較好時(shí)，上述研究尚無法解釋平面閘門在反向擋水時(shí)啟門力增大的原因，從而無法有針對性地提出相應(yīng)的解決措施.

文中以江蘇省某節(jié)制閘為研究對象，針對垂直提升式平面鋼閘反向擋水時(shí)啟門力異常增大的問題，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法研究閘孔過流流場及其對閘門的作用，提出閘門結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，降低啟門力.

1 水閘參數(shù)與物理模型

江蘇省某閘站樞紐節(jié)制閘為3孔，采用垂直提升式液壓平板鋼閘門，設(shè)計(jì)流量為500 m3/s，水閘與底板縱剖面及相關(guān)參數(shù)如圖1所示.

閘門高度4.5 m，H為閘門開高，閘室上游長度為10.2 m，下游長度為20.4 m，為保證數(shù)值計(jì)算給定的進(jìn)口邊界條件更合理，將閘室上游延長至40 m處.

考慮到流動(dòng)沿水閘寬度方向的中心線對稱分布，取閘門的一半進(jìn)行流場CFD分析研究，如圖1b所示.

圖1 水閘過流縱剖面圖與三維模型

2 閘門啟門力數(shù)值計(jì)算

2.1 閘門過流流場CFD計(jì)算控制方程與邊界條件

文中采用雷諾時(shí)均N-S方程求解湍流場，控制方程為

(1)

式中：u為速度，m/s；〈〉表示雷諾平均；p為壓力，Pa；ρ為密度，kg/m3；νt為渦黏系數(shù)，m2/s；τR,ij為雷諾應(yīng)力，m2/s2；x為笛卡兒坐標(biāo)；i=1,2,3，j=1,2,3.為求解雷諾應(yīng)力，選擇常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.

過閘流動(dòng)是典型的水氣兩相流，文中采用均相流模型，即兩相共用速度與壓力場，相間不存在滑移速度.同時(shí)采用VOF方法捕捉相間的交界面.計(jì)算域劃分為水域與空氣域，其中水域的高度根據(jù)水閘運(yùn)行時(shí)的上、下游水位給定，考慮到計(jì)算量與精度，空氣域?yàn)樗嫦蛏涎由?.0 m范圍.計(jì)算域網(wǎng)格劃分時(shí)，在水閘以及自由水面附近進(jìn)行加密處理，以充分解析該區(qū)域的流動(dòng)．文中網(wǎng)格總數(shù)控制在8.0×106左右，如圖2所示為水閘開高1.65 m時(shí)的網(wǎng)格.

圖2 閘門反向擋水時(shí)計(jì)算域網(wǎng)格與邊界條件設(shè)置

計(jì)算域以及相應(yīng)的邊界條件如圖2b所示，采用邊界條件如下：① 水域進(jìn)口，流量進(jìn)口條件，水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，空氣體積分?jǐn)?shù)為0;② 水域出口，流量出口條件;③ 閘門面板寬度方向的中線所在面，對稱邊界;④ 空氣域上表面，Opening 邊界(開敞邊界)，壓力設(shè)置為0，且水的體積分?jǐn)?shù)為0，空氣體積分?jǐn)?shù)為1;⑤ 空氣域與水域之間交界面，Gerneral Connection．未標(biāo)注的邊界均使用無滑移固壁條件.

2.2 閘門受力分析

圖3為啟門時(shí)閘門所受重力G、水流垂直作用力Fy、水流水平作用力Fx、摩擦力Fm、門槽對閘門滾輪的水平反力Fw、啟門力Ft的共同作用.

圖3 閘門受力分析

1) 重力.閘門(包括滾輪)的重力以及液壓缸活塞桿的自重，計(jì)算公式為

G=G閘+G桿,

(2)

根據(jù)閘門設(shè)計(jì)參數(shù)，G=1.862×105N.

2) 水流作用力.閘門所受Fx與Fy可根據(jù)CFD結(jié)果計(jì)算獲得.

3) 摩擦力.啟門時(shí)的摩擦力由門側(cè)止水橡皮與門槽的摩擦力和滾輪處的摩擦力2部分組成.

門側(cè)止水橡皮與門槽的摩擦力,計(jì)算公式為

Fmp=γ1Fx1，

(3)

式中：Fx1為水流水平作用力Fx作用在側(cè)止水橡皮上的力，根據(jù)設(shè)計(jì)資料為2 200 N；γ1為橡皮與門槽摩擦系數(shù)，門槽為鋼，系數(shù)取值0.5.

滾輪軸承處的摩擦力為

Fml=γ2(Fx-Fx1),

(4)

式中：γ2為摩擦系數(shù)，本例采用的為滑動(dòng)軸承，取值0.05．

4) 啟門力.根據(jù)圖3受力分析可知，啟門力為

Ft=G+Fy+Fm=G+Fy+Fml+Fmp.

(5)

2.3 CFD啟門力計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

閘站現(xiàn)場測試了閘門開啟過程中不同開高時(shí)的啟門力，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

表1 閘門不同開高啟門力CFD預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果對比

上下游起始水位分別為30.51,27.36 m時(shí)，啟門時(shí)閘門不同開高時(shí)的過流流量和啟門力CFD預(yù)測計(jì)算值Ft,CFD和試驗(yàn)實(shí)測值Ft,EXP兩者一致，表明文中啟門力預(yù)測方法可行.

3 閘門反向擋水啟門力分析與對策

3.1 反向啟門力大于正向啟門力的原因

由表1可知，閘門自重G必不可少；水流垂直作用力Fy較大，達(dá)到自重的2/3左右，與Fm的比值為8～12.因此啟門力異常增大是受Fy的影響，降低啟門力的關(guān)鍵在于減小Fy.

取圖4a所示的通過閘門橫梁中部排水孔中心的橫截面，該截面距面板0.55 m.閘門在水中的受力表現(xiàn)為壓力，圖4b為閘門開高H=1.65 m時(shí)該橫截面上的壓力分布.由于閘門提升后，上部處于空氣中，因此該橫截面僅針對閘門水下部分進(jìn)行截取，由圖4b可見，啟門過程中，門前下泄水流對閘門底部主梁形成向下的沖擊作用，主梁上表面壓力明顯高于下表面，形成較大的壓力差，這就是啟門力增大的原因.另一方面，閘門中部和上部主梁由于水流垂直方向速度很小，上下無明顯壓差.

圖4 閘門排水孔中心橫截面上的壓力分布

3.2 減小啟門力對策

由圖4可知，啟門時(shí)，雖然下泄水流沖擊在底部主梁上下表面形成較大的壓力差，但在排水孔處，由于水流下泄通暢，壓力差明顯降低，排水孔在一定程度上降低了啟門力，為進(jìn)一步降低啟門力，可在保證底部主梁強(qiáng)度和剛度的前提下，將其排水孔面積擴(kuò)大.令原設(shè)計(jì)排水孔面積為A，將排水孔面積擴(kuò)大至2A，4A，6A與8A.

根據(jù)前述分析，H=1.65 m時(shí)啟門力最大，針對該開高時(shí)的過流水流作用力，計(jì)算閘門底部橫梁不同排水孔面積方案的啟門力.以原設(shè)計(jì)排水孔面積方案啟門力為基準(zhǔn)，定義其他面積方案啟門力下降比例為

(6)

不同排水孔面積時(shí)的φ值如表2所示.隨著排水孔面積的增大，啟門力的下降比例逐漸上升.增大開孔面積，橫梁強(qiáng)度和剛度減小，權(quán)衡開孔只計(jì)算到原面積的8倍.當(dāng)排水孔增大為原面積的8倍時(shí)，啟門力下降約10%.

表2 不同排水孔面積時(shí)的φ值

為進(jìn)一步分析啟門力下降的原因，對閘門上的壓力進(jìn)行研究.圖5所示為1A與8A共2種情況下，閘門排水孔中心橫截面上的壓力分布.由圖5可見，排水孔面積增大為原來的8倍后，排水孔占主梁面積的比例增大，水流下泄更為通暢，主梁下表面壓力增大，上下表面壓差顯著減小，因此啟門力下降.

圖5 不同排水孔面積下閘門橫截面壓力分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證增大排水孔方案的適用性，將排水孔面積增大為原來的8倍，計(jì)算閘門不同開高的情況，底部主梁上下表面壓差與啟門力并與原型的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表3所示.

表3 排水孔面積增大前后的啟門力

由表3可知，啟門初期門體開高較小時(shí)，門孔阻力大，流速小，水流主要呈水平方向，水流對底部橫梁沖擊小，因此啟門力??；啟門過程中隨著開高增加，門孔水流阻力減小，流速急劇增大，門孔前上部水體下泄速度增大，水流呈斜向下方向，形成對底部橫梁的強(qiáng)烈沖擊，因此，啟門力增大；當(dāng)門體開高繼續(xù)增大時(shí)，由于過流斷面增大，水流流速減小，且流向趨于水平，水流對底部橫梁沖擊逐漸減小，因此，啟門力減小.啟門力規(guī)律理論分析結(jié)果與實(shí)測和計(jì)算結(jié)果相符.

顯然，當(dāng)排水孔面積增大后，閘門在不同開高時(shí)啟門力均有較大幅度的降低，幅度為7.6%～11.9%.此外，觀察排水孔為8A的啟門力變化規(guī)律可見，啟門力仍為先增大后減小，隨后再增大最后減小的規(guī)律.對于閘門反向擋水的情況，H=1.65 m仍為啟門力達(dá)到峰值的開高位置.

閘門正向擋水時(shí)，由于啟門時(shí)背面梁格處于死水區(qū)，增大橫梁排水孔面積對正向啟門力并沒有影響.

4 橫梁排水孔加大后閘門強(qiáng)度校核

閘門使用時(shí)由主滾輪支撐閘門邊框，此時(shí)主梁主要受彎曲應(yīng)力作用.底部主梁上排水孔增大后，可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度不夠.因此，針對該節(jié)制閘強(qiáng)度校核水位(上游水位32.39 m，下游水位26.00 m)，采用基于ANSYS Workbench的有限元方法分析排水孔面積1A與8A這2種情況下，閘門開高1.65 m時(shí)的應(yīng)力分布情況(此時(shí)受力最大)，校核閘門是否滿足強(qiáng)度要求.

有限元分析受力時(shí)，對每個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)，以平衡方程求解，即

F=kδ，

(7)

式中：k為節(jié)點(diǎn)的剛度，N/m；δ為節(jié)點(diǎn)的位移，m.

當(dāng)閘門開高為1.65 m時(shí)，閘門中部主梁以上部分均處于空氣中，該部分無水流作用力.由于底部主梁上下表面的壓力分布接近均勻分布，而主梁下方的壓力分布則與靜水壓力分布相近，采用圖6a所示的有限元模型，部分尺寸見圖中標(biāo)注，此外，鋼板厚度均為10 mm，2根長為6.4 m的工字鋼組成“X”形結(jié)構(gòu)加強(qiáng)擋水時(shí)閘門強(qiáng)度.計(jì)算中底部主梁上下表面壓力采用CFD結(jié)果給定的平均壓力，面板后面4個(gè)凸面為滾輪與門槽接觸面，為支撐點(diǎn)，閘門其余門面給定靜水壓力分布，自由水面位置按上游水位位置給定.

圖6 不同閘門方案在開高1.65 m時(shí)的等效應(yīng)力分布

閘門開高為1.65 m時(shí)，1A與8A方案的等效應(yīng)力分布如圖6b，c所示.由圖可見，應(yīng)力最集中、最大的區(qū)域位于閘門中部橫梁兩端面板一側(cè)，這是因?yàn)樵搮^(qū)域有滾輪支撐、彎矩最大.

在底部橫梁排水孔附近，排水孔面積8A方案較1A方案應(yīng)力集中更明顯，但由于最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁兩端，該處不是應(yīng)力控制點(diǎn)，因此，對門體整體強(qiáng)度沒有影響.

在有限元分析中，往往以等效應(yīng)力判定強(qiáng)度.文中研究的閘門材料為Q235鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa.1A方案的最大等效應(yīng)力為78.9 MPa；而8A方案的最大等效應(yīng)力為44.9 MPa，小于1A方案.2種方案下的等效應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度.因此，閘門強(qiáng)度足夠.值得注意的是，閘門8A方案的橫梁最大等效應(yīng)力小于1A方案，這是由于8A方案水流對下部橫梁的沖擊力大幅減小，同時(shí)也減小了水流對閘門的水平作用力，從而減小了橫梁的作用荷載和應(yīng)力.

5 結(jié) 論

1) 采用CFD預(yù)測的反向擋水平面閘門啟門力的計(jì)算結(jié)果和規(guī)律與啟門力實(shí)測結(jié)果一致.

2) 平面鋼閘門反向擋水啟門力增大的原因是，下泄水流對閘門底部主梁向下的沖擊作用，造成了主梁上表面壓力大、下表面壓力小，該壓力差使啟門力增大近50%.

3) 底部主梁排水孔附近上下表面壓差較小，增大排水孔面積，可顯著減小主梁上下表面壓差，達(dá)到減小啟門力的目的，啟門力下降比例與排水孔面積增大比例近似呈線性關(guān)系.當(dāng)排水孔面積增大為原排水孔的8倍時(shí)，啟門力下降7.6%～11.9%，效果顯著.

4) 基于ANSYS Workbench分析的閘門在強(qiáng)度校核水位下應(yīng)力分布情況，底部橫梁排水孔增大為8A后，閘門最大等效應(yīng)力反而下降，且遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，閘門強(qiáng)度足夠.因此，雙向擋水閘門，其背面底部橫梁應(yīng)該在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量增大排水孔面積.