郭博文 高玉琴 范冰 劉智

摘 要：針對(duì)鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制的復(fù)雜性以及鋼閘門流激振動(dòng)在工程實(shí)際中的多發(fā)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(chǎng)有限元模型和固體有限元模型，探究了不同開度時(shí)水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，闡明了單、雙向流固耦合作用下鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)差異，揭示了水工鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明：１）隨著開度的增大，流場(chǎng)不同位置處脈動(dòng)壓力逐漸減小，鋼閘門附近旋渦脫落的頻率逐漸降低；２）對(duì)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(jìn)行計(jì)算；３）水工鋼閘門流激振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)制主要是鋼閘門周圍旋渦脫落頻率與鋼閘門結(jié)構(gòu)第一階自振頻率一致或相近，導(dǎo)致鋼閘門發(fā)生了共振。

關(guān)鍵詞：鋼閘門結(jié)構(gòu)；流激振動(dòng)；數(shù)值分析；大渦模擬

中圖分類號(hào)：ＴＶ６９１；ＴＶ６６３ 文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)數(shù)值模擬研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１２６－１３１．

閘門在運(yùn)行過(guò)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(dòng)，反過(guò)來(lái)閘門的振動(dòng)又影響周圍流場(chǎng)，這種現(xiàn)象被稱為流激振動(dòng)。閘門流激振動(dòng)是一種極其復(fù)雜的流體與結(jié)構(gòu)相互作用現(xiàn)象，屬于典型的流固耦合問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外閘門失事大多數(shù)是由流激振動(dòng)引起的，閘門的損壞甚至失事不僅會(huì)導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重的還會(huì)影響整個(gè)樞紐運(yùn)行的安全可靠性。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外水利水電建設(shè)的飛速發(fā)展，鋼閘門承受的水頭逐漸增大，高水頭下過(guò)閘流速較大，不良的水流條件極易引起鋼閘門的流激振動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算３ 種方法來(lái)研究閘門的流激振動(dòng)問(wèn)題。隨著數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，近些年來(lái)數(shù)值計(jì)算方法被廣泛地運(yùn)用到解決閘門流激振動(dòng)問(wèn)題中［１－１２］ ，但由于問(wèn)題的復(fù)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(guān)注的問(wèn)題。因此，針對(duì)鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制的復(fù)雜性以及鋼閘門流激振動(dòng)在工程實(shí)際中的多發(fā)性，為保證鋼閘門在復(fù)雜水流狀態(tài)下正常運(yùn)行，有必要開展鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制研究。平底緣平面鋼閘門流激振動(dòng)具有閘門底緣形式簡(jiǎn)單、閘門振動(dòng)形式單一、流激振動(dòng)現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)，便于深入研究閘門流激振動(dòng)機(jī)制。本文基于大渦模擬技術(shù)，針對(duì)二維平板鋼閘門，探究不同開度下水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，揭示水工鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制。

２ 有限元計(jì)算模型

２．１ 有限元模型

針對(duì)水工鋼閘門結(jié)構(gòu)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(chǎng)有限元模型和鋼閘門固體有限元模型。其中，對(duì)于流體模型，經(jīng)過(guò)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(shí)，可以控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算速度，還能夠保證流態(tài)充分發(fā)展。模型均采用四邊形單元進(jìn)行離散，為了減小計(jì)算量，流體和固體交界處采用非協(xié)調(diào)網(wǎng)格。１０％、３０％、５０％、７０％和９０％等不同開度時(shí)流場(chǎng)模型網(wǎng)格數(shù)量分別為１００ ４００、１０１ ２００、１０２ ０００、１０２ ８００、１０３ ６００，固體模型網(wǎng)格數(shù)量分別為２５０、１６０、１６０、１６０、１６０，有限元模型見(jiàn)圖１、圖２。

另外，為了更準(zhǔn)確捕捉閘門前后流場(chǎng)的脈動(dòng)壓力，對(duì)閘門位置附近流場(chǎng)模型進(jìn)行了局部加密，以１０％閘門開度的流場(chǎng)有限元模型為例，局部加密情況見(jiàn)圖３。

２．２ 計(jì)算參數(shù)

水體密度?。?０００ ｋｇ／ ｍ３，動(dòng)力黏性系數(shù)μ ?。埃埃埃?Ｐａ·ｓ；鋼閘門材料為Ｑ３４５Ｂ 鋼，密度取７ ８５０ ｋｇ／ ｍ３，彈性模量?。玻埃叮?ＧＰａ，泊松比為０．３。計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為０．００５ ｓ，共計(jì)算４ ０００ 步，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為２０ ｓ。經(jīng)初步試算，流體在５ ｓ 左右已得到充分發(fā)展，為節(jié)約存儲(chǔ)空間，流體計(jì)算結(jié)果從１０ ｓ 時(shí)開始儲(chǔ)存，且每隔２０ 步輸出１ 次計(jì)算結(jié)果。

２．３ 邊界條件

對(duì)于流場(chǎng)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(duì)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(jì)算結(jié)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(dòng)力響應(yīng)分析

３．１．１ １０％開度的水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)

３．１．１．１ 鋼閘門計(jì)算結(jié)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(shí)１０％開度的鋼閘門在水流作用下的位移云圖和第一主應(yīng)力云圖。為便于對(duì)１０％開度的水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，選取如圖５（ｃ）所示位置作為特征點(diǎn)。從圖５ 可以看出，在水流作用下，鋼閘門底部產(chǎn)生了順?biāo)飨蛭灰?，其中，特征點(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰谱畲笾禐椋埃梗?ｍｍ，且隨著閘門高程增加，其數(shù)值逐漸減小；同時(shí)，受水流作用影響，特征點(diǎn)Ｂ 處出現(xiàn)了較大第一主應(yīng)力，其最大值為３０．８５ ＭＰａ。

圖６ 給出了特征點(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰茣r(shí)程曲線和特征點(diǎn)Ｂ 處第一主應(yīng)力時(shí)程曲線。從圖６ 可以看出，在水流作用下，特征點(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰坪吞卣鼽c(diǎn)Ｂ 處第一主應(yīng)力出現(xiàn)了一定程度的振蕩。

３．１．１．２ 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖７ 給出了１０％開度的流場(chǎng)。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(xiàn)了較大脈動(dòng)水壓力。為便于分析，選取如圖９ 所示位置作為特征點(diǎn)，圖１０（ａ）給出了特征點(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力時(shí)程曲線，可以看出，旋渦的脫落，使特征點(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力出現(xiàn)了一定程度的振蕩。為了分析旋渦脫落的頻率，對(duì)脈動(dòng)水壓力進(jìn)行傅里葉變換，圖１０（ｂ）給出了特征點(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力頻譜曲線。特征點(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力主頻約為１．１２ Ｈｚ。

３．１．２ 不同開度時(shí)水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

圖１１ 給出了不同開度時(shí)流場(chǎng)特征點(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰坪吞卣鼽c(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。由圖１１ 可以看出，１０％開度時(shí)鋼閘門底部順?biāo)鞣较蛭灰谱畲?，其余開度時(shí)鋼閘門順?biāo)鞣较蛭灰苹緸椋埃浑S著開度的增大，流場(chǎng)特征點(diǎn)Ｃ 處脈動(dòng)水壓力逐漸減小。表１ 給出了不同開度時(shí)流場(chǎng)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(dòng)力響應(yīng)對(duì)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(shí)１０％開度的鋼閘門在水流作用下的位移云圖和第一主應(yīng)力云圖。由圖１２ 可知，在水流作用下，鋼閘門底部產(chǎn)生了順?biāo)鞣较蛭灰?，其中，特征點(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰谱畲笾禐椋埃梗?ｍｍ，且隨著閘門高度增加，其數(shù)值逐漸減??；同時(shí)，受水流作用影響，鋼閘門在特征點(diǎn)Ｂ 處出現(xiàn)了較大第一主應(yīng)力，其最大值為３１．０５ ＭＰａ，與考慮雙向流固耦合作用計(jì)算結(jié)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(diǎn)Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰茣r(shí)程和特征點(diǎn)Ｂ 處第一主應(yīng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

可以看出，單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)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(duì)流場(chǎng)的影響基本可以忽略。

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

綜上所述，對(duì)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(jìn)行計(jì)算，這樣一方面可以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，另一方面可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

３．３ 平板鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制探究

首先，采用勢(shì)流體單元模擬鋼閘門前后水體與鋼閘門的相互作用，對(duì)鋼閘門進(jìn)行自振特性分析。以１０％開度為例，鋼閘門自振特性計(jì)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(shí)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(shí)，閘門的自振頻率明顯降低，因此在進(jìn)行閘門自振特性分析計(jì)算時(shí)，有必要考慮鋼閘門前后水體作用；同時(shí)考慮鋼閘門前后水體作用時(shí)，閘門的第一階頻率為３６．２４ Ｈｚ，遠(yuǎn)高于旋渦的脫落頻率（約為１．１２ Ｈｚ），不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。因此，１０％開度時(shí)鋼閘門的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果偏小。

為了揭示水工鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制，在保證水工鋼閘門剛度不變的前提下，通過(guò)增大鋼閘門的質(zhì)量來(lái)調(diào)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(zhì)量調(diào)整前后的閘門自振頻率。由表３ 可知，調(diào)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(duì)質(zhì)量調(diào)整后的鋼閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，并與調(diào)整前的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖１６ 給出了質(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果）。由圖１６ 可知，質(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動(dòng)力響應(yīng)整體比質(zhì)量調(diào)整前偏大，其數(shù)值是質(zhì)量調(diào)整前計(jì)算結(jié)果的１０ 倍左右。

由上述分析可知，在未改變來(lái)流速度和鋼閘門剛度的情況下，質(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動(dòng)力響應(yīng)整體比質(zhì)量調(diào)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(dǎo)致鋼閘門與水流作用出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，因此水工鋼閘門流激振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)制主要是鋼閘門流場(chǎng)周圍的旋渦脫落頻率與鋼閘門結(jié)構(gòu)第一階自振頻率一致或相近，導(dǎo)致鋼閘門發(fā)生了共振。

４ 結(jié)論

以平板鋼閘門為例，建立了不同開度的二維流場(chǎng)有限元模型和水工鋼閘門固體有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行流固耦合計(jì)算分析，探究了不同開度時(shí)水工鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，闡明了單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門動(dòng)力響應(yīng)差異，揭示了水工鋼閘門流激振動(dòng)機(jī)制。具體結(jié)論如下：

１）隨著開度的增大，流場(chǎng)不同位置處脈動(dòng)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(duì)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(duì)流場(chǎng)的影響基本可以忽略，因此可以采用單向流固耦合來(lái)代替雙向流固耦合進(jìn)行計(jì)算，這樣一方面可以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，另一方面可以大大節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

３）水工鋼閘門流激振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)制主要是鋼閘門流場(chǎng)周圍的旋渦脫落頻率與鋼閘門結(jié)構(gòu)第一階自振頻率一致或相近，導(dǎo)致鋼閘門發(fā)生了共振。

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