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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