郭博文 高玉琴 范冰 劉智

摘 要：針對鋼閘門流激振動機(jī)制的復(fù)雜性以及鋼閘門流激振動在工程實際中的多發(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(yīng)規(guī)律，闡明了單、雙向流固耦合作用下鋼閘門動力響應(yīng)差異，揭示了水工鋼閘門流激振動機(jī)制。結(jié)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(jìn)行計算；３）水工鋼閘門流激振動產(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；數(shù)值分析；大渦模擬

中圖分類號：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數(shù)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(xiàn)象被稱為流激振動。閘門流激振動是一種極其復(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題。研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外閘門失事大多數(shù)是由流激振動引起的，閘門的損壞甚至失事不僅會導(dǎo)致水資源的浪費，嚴(yán)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(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(nèi)外主要通過原型觀測、模型試驗、數(shù)值計算３ 種方法來研究閘門的流激振動問題。隨著數(shù)值計算理論的發(fā)展和計算機(jī)運算能力的提高，近些年來數(shù)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(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)注的問題。因此，針對鋼閘門流激振動機(jī)制的復(fù)雜性以及鋼閘門流激振動在工程實際中的多發(fā)性，為保證鋼閘門在復(fù)雜水流狀態(tài)下正常運行，有必要開展鋼閘門流激振動機(jī)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(xiàn)象明顯等特點，便于深入研究閘門流激振動機(jī)制。本文基于大渦模擬技術(shù)，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(yīng)規(guī)律，揭示水工鋼閘門流激振動機(jī)制。

２ 有限元計算模型

２．１ 有限元模型

針對水工鋼閘門結(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(jīng)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(wǎng)格數(shù)量，提高計算速度，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％等不同開度時流場模型網(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，有限元模型見圖１、圖２。

另外，為了更準(zhǔn)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(jìn)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(shù)

水體密度?。?０００ ｋｇ／ ｍ３，動力黏性系數(shù)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(shè)置為０．００５ ｓ，共計算４ ０００ 步，計算時長為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)約存儲空間，流體計算結(jié)果從１０ ｓ 時開始儲存，且每隔２０ 步輸出１ 次計算結(jié)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(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力響應(yīng)分析

３．１．１ １０％開度的水工鋼閘門動力響應(yīng)

３．１．１．１ 鋼閘門計算結(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１０％開度的水工鋼閘門動力響應(yīng)進(jìn)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(chǎn)生了順?biāo)飨蛭灰疲渲?，特征點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??；同時，受水流作用影響，特征點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Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰茣r程曲線和特征點Ｂ 處第一主應(yīng)力時程曲線。從圖６ 可以看出，在水流作用下，特征點Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰坪吞卣鼽cＢ 處第一主應(yīng)力出現(xiàn)了一定程度的振蕩。

３．１．１．２ 流場計算結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(yīng)計算結(jié)果對比分析

圖１１ 給出了不同開度時流場特征點Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰坪吞卣鼽cＣ 處脈動水壓力計算結(jié)果對比情況。由圖１１ 可以看出，１０％開度時鋼閘門底部順?biāo)鞣较蛭灰谱畲?，其余開度時鋼閘門順?biāo)鞣较蛭灰苹緸椋?；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(yīng)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(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)鞣较蛭灰疲渲?，特征點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)值逐漸減小；同時，受水流作用影響，鋼閘門在特征點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Ａ 處順?biāo)鞣较蛭灰茣r程和特征點Ｂ 處第一主應(yīng)力時程計算結(jié)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(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(jié)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(guī)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(jié)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(jìn)行計算，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)約計算時間。

３．３ 平板鋼閘門流激振動機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)高于旋渦的脫落頻率（約為１．１２ Ｈｚ），不會發(fā)生共振現(xiàn)象。因此，１０％開度時鋼閘門的動力響應(yīng)計算結(jié)果偏小。

為了揭示水工鋼閘門流激振動機(jī)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(zhì)量來調(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)行雙向流固耦合計算，并與調(diào)整前的計算結(jié)果進(jìn)行對比（圖１６ 給出了質(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動力響應(yīng)計算結(jié)果）。由圖１６ 可知，質(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動力響應(yīng)整體比質(zhì)量調(diào)整前偏大，其數(shù)值是質(zhì)量調(diào)整前計算結(jié)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(zhì)量調(diào)整后鋼閘門的動力響應(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產(chǎn)生的機(jī)制主要是鋼閘門流場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有限元模型和水工鋼閘門固體有限元模型，并對其進(jìn)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(yīng)規(guī)律，闡明了單向、雙向流固耦合作用下鋼閘門動力響應(yīng)差異，揭示了水工鋼閘門流激振動機(jī)制。具體結(jié)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(jìn)行計算，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)約計算時間。

３）水工鋼閘門流激振動產(chǎn)生的機(jī)制主要是鋼閘門流場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。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 李火坤，練繼建．水工弧形閘門流激振動特性物模－數(shù)模聯(lián)合預(yù)測與安全分析［Ｊ］．水力發(fā)電學(xué)報，２００７，２６（３）：６９－７６．

［２］ 李明．弧形閘門動力特性及流激振動數(shù)值模擬［Ｄ］．長沙：長沙理工大學(xué)，２０１３：１－６９．

［３］ 郭桂禎．平板閘門垂向流激振動特性與數(shù)值計算研究［Ｄ］．天津：天津大學(xué)，２０１１：１－１０１．

［４］ 牛文宣，趙冉，蘇林王，等．大跨度弧形閘門靜動力學(xué)數(shù)值分析［Ｊ］．水電能源科學(xué)，２０１３，３１（７）：１７３－１７６．

［５］ 劉權(quán)，張燎軍，關(guān)超年．高水頭平面閘門流激振動的數(shù)值模擬［Ｊ］．水電能源科學(xué)，２０１４，３２（１）：１７６－１７９，１９０．

［６］ 紀(jì)偉．平面鋼閘門流激振動分析與整體性優(yōu)化設(shè)計［Ｄ］．長春：長春工程學(xué)院，２０１５：１－６２．

［７］ 王正中，張雪才，劉計良．大型水工鋼閘門的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢［Ｊ］．水力發(fā)電學(xué)報，２０１７，３６（１０）：１－１８．

［８］ ＱＩ Ｈ Ｊ，ＬＩ Ｔ Ｃ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ａｎ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ＴｕｎｎｅｌＧａｔｅ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｊｅｔ?Ｆｌｏｗ ｆｒｏｍ Ａｉｒ Ｖｅｎｔｓ ［Ｊ］． ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ，２０１７（７９）：１０４３－１０５７．

［９］ 徐惠民，嚴(yán)根華，陳照．中山河翻板閘門流激振動試驗及優(yōu)化設(shè)計［Ｊ］．人民黃河，２０１８，４０（７）：１０８－１１２．

［１０］ 李斯，吳思遠(yuǎn)，王正中．弧形閘門流激振動功率譜設(shè)計及時域反演［Ｊ］．人民黃河，２０１９，４１（６）：１２５－１２７，１３４．

［１１］ 劉竹麗，陳赟，伊元忠．不同開度下平面鋼閘門流固耦合數(shù)值模擬研究［Ｊ］．人民黃河，２０２０，４２（１１）：７９－８３．

［１２］ 趙蘭浩，鄭拓，楊校禮．大型弧形鋼閘門流激振動數(shù)值計算［Ｊ］．水利水電技術(shù)，２０２０，５１（６）：５８－６４．

【責(zé)任編輯 簡 群】