基于Fluent-Abaqus的水利工程闸门结构设计分析

2020-10-09庞敏敏

水电站机电技术 2020年9期

庞敏敏

（山东省临沂市河东区行政审批服务局涉农事务科，山东临沂276000）

1 引言

作为重要的水工结构，平面钢闸门设计方案关乎着水资源的安全调度，研究平面钢闸门最佳设计方案有助于提升水闸等水利设施安全运营水平。在一些水利枢纽工程中，平面钢闸门适用性较佳，可为泄洪以及水工隧洞提供重要水资源通道，为水利枢纽工程运行提供安全保障[1-2]。目前，已有一些学者或水利工程师基于工程现场安装监测传感器，根据长期工程现场实地分析，探索闸门等水工结构在长期运营过程中流场以及应力变形变化，为评估水工结构安全稳定状态提供重要参考[3-4]。当然，也有一些学者在室内建设水工模型，以室内水工模型试验所获得试验数据开展分析，为实际工程设计提供重要参照依据[5-6]。基于计算流体力学理论与流固耦合场理论，利用有限元软件，综合分析水工结构流场与结构安全稳定性[7]，进而为探讨实际水利枢纽工程中水工结构设计提供重要参考。

2 计算理论与工程概况

2.1 计算理论

水闸内水流的三维流体运动，服从下式

式中，ui指流场中某方向的流速矢量；xi指流场中某质点坐标参数。

含雷诺应力的N-S方程为[8-9]

式中，fi指流场中某方向上的质量力；ui指某质点的流速值指雷诺应力值。

标准简单的耗散能-湍动能表述雷诺应力解，表达式为

湍流运动粘度系数为

式中，Cμ指常数。

该模型方程中水流运动输送式可为

式中，C1ε、C2ε、C3ε指水流运动常数；σk、σε指角标对应的Prandtl常数；Sk、Sε指可变常量。

流固耦合场运动方程为

式中，r指边界处阻抗系数。

故可得到流固场中流固耦合作用方程式为

基于上式流固耦合场方程求解，进而可获得在动力响应下过闸流体流场影响特征。

2.2 工程概况

某水利枢纽工程为区域内重要水资源调度设施，面向区域内农业水资源、工业用水以及城乡生活用水等方面，其中可灌溉农田面积超过800km2，在枯水季甚至可提升农业灌溉效率12%，为地区内工农业发展提供重要水资源推动力。该水利枢纽工程中大坝轴线长度约为150m，采用大面积混凝土浇筑形成，坝顶高程为256.5m，上下游坡度分别为1/2.5、1/3；泄洪闸所在下游段设置有消力池，池内设置有消力坎，减少泄洪状态下水流对水利工程冲刷磨损。水电站进水塔按照Ⅰ级水工结构设计，拦污栅排墩的连系梁均架设有多排式横、纵梁，整个水利枢纽工程结构静、动载下安全稳定性均较高。在该水利枢纽工程中设置有一平面钢闸门，作为农业灌区输水渠道连通设施，闸门精确控制开度，保证通闸流量满足输水渠道渠首流量要求，设计渠首流量为0.65m3/s。现该水闸开度为0.2m，上游进口段流速为10m/s，且上、下游水流处于饱压状态，此时需研究闸门在上下游饱压条件下通行水流水力特性，进而评价水闸流场状态。

3 闸门二维流场分析

3.1 模型建立与工况研究

在前述理论分析与工程资料分析基础上，设定闸门底部结构设计与上下游不同倾角参数为研究对比方案，1号方案为平底式闸门；2号方案上、下游倾角分别为 45°、30°；3号方案上、下游倾角分别为60°、30°；4 号方案上、下游倾角分别为 60°、45°；闸门底缘剖面图如图1所示，该图表示了2号方案结构设计。

图1 闸门底缘剖面示意图

以UG软件建立数值模型后，以四边形单元体作为模型划分网格基本单元，模型划分后，网格质量为0.98，满足模拟计算要求，共获得单元网格数23678个，节点数21082个，如图2所示。

图2 数值模型图

3.2 流场特征分析

利用Fluent软件计算获得各工况下闸门二维状态的流场特征参数，图3为Fluent计算出的四个研究方案闸门流线云图。从图中可看出，闸门底缘为平底时，流线最大流速为8.52m/s，且出闸门后水流水头相比其他3个具有倾角设计方案均有一定程度降低，对比其他3个倾角设计方案，平底式水闸结构设计其流线较密集，表明平底式水闸内部流场处于较活跃状态。2号方案流线最大流速值相比平底式设计方案降低了6.7%，在3、4号方案中流线最大流速值相比1号方案亦是降低。分析表明，当闸门底缘设置有一定倾角时，一定程度上可缓冲上游高流速对闸门冲击效应。2～4号方案流线分布处于相似状态，但底缘相同上游倾角时，下游倾角愈大者，其下游流线分布愈接近水面线；当底缘相同下游倾角时，上游倾角愈大者，则流速值愈大，且带动闸门内中部区域流速分布较大，3号方案闸门内中部流速约为4.25m/s，相比2号方案增大了7.1%。

图3 闸门流场流线图

各方案下速度矢量分布形态基本一致，本文以3号方案不同时间段流速矢量分布开展分析，如图4所示。从速度矢量分布可知，经过闸门后，水流运动均沿底部运动，随时间推移，底部流速亦逐渐由靠近闸门侧大流速逐渐过渡至低流速。另一方面，从图中亦可看出，经过闸门底缘后，流场内出现漩涡回流，t=0.05s时，漩涡回流靠近闸门；在t=0.5s时，漩涡回流逐渐消失，流场处于稳定状态。

图4 流速矢量分布图（3号方案）

图5为1号、3号方案闸门顶部与底部监测点压强变化曲线，从图中可知，平底式设计方案（1号）在闸门底部具有负压强，底部压强均低于顶部顶部最大压强达97.16kPa，而底部最大压强相比前者降低了31.9%；从整体变化趋势来看，闸门内流场顶部压强变化为先增后减，而底部压强持续降低态势，3号方案底部压强从0.6～2s时，降低幅度为0.7%。分析表明，负压强的存在会造成闸门运行时水流紊乱，影响闸门运营寿命，应尽量避免流场内负压强涉及，因此，闸门平底式设计方案不可取。

图5 闸门顶、底部监测点压强变化曲线（左、右图分别为顶部、底部）

4 闸门三维流固耦合分析

4.1 建模及计算参数

针对流固耦合三维场开展计算分析，利用UG建模软件构建三维几何模型，如图6（a）所示，以六面体单元作为划分微单元体，水流与闸门相接触界面设定为流固耦合面。动力粘度系数设定为0.001Pa·s，闸门材料密度值设定为 7.85g/cm3，划分出网格单元数12842个，节点数61286个，划分网格单元后模型如图6（b）所示。

图6 三维流固耦合场数值模型

4.2 流场特征分析

基于Fluent软件求解获得流场特征参数，图7为闸门4种底缘设计方案下流场压力分布状况。从图中可看出，平底式闸门设计下闸门内具有显著负压，与前述分析为一致，而另3种设计方案中负压现象得到显著改善，提升了闸门内流场安全性；对比4种设计方案下最大压强可知，同一时刻最大压强仍以平底式设计为最大，其最大压强可达2.99MPa，2号方案最大压强仅为前者的84.3%。

图7 流场压力分布

2～4号方案流速分布矢量图具有相近之处，故而本文以2号方案速度矢量图开展分析，如图8所示分别为闸门不同截面处速度矢量分布。闸门对上部流速影响较大，底部流速量值处于较高水平，且底部流速方向与上部流速方向相反，此与二维流场计算一致。

图8 闸门不同截面处速度矢量分布

4.3 结构特征分析

针对结构特征，以不同上游流速作为研究参照物，获得两种工况下各设计方案结构特征参数应力值结果，如图9所示。从图中可知，上游流速10m/s时最大拉应力为2.198MPa，乃是1号方案，不仅其拉压应力较大，其压应力亦是该工况下4个设计方案中最大值，达0.576MPa，其他3个方案压应力最大值基本接近1号方案。等效应力中2号方案最大值为1.533MPa，而1号方案相比前者增大了9.2%，分析表明虽工况一拉应力值均处于材料允许范围，但1号方案过大的拉应力对闸门安全运行是较大的挑战。当上游输送流速增大至20m/s后，1号方案中最大拉应力增大了3.2倍，达9.176MPa，不仅1号方案流速增大，在2～4号方案中流速均有较大幅度增大，其中以2号方案等效应力最小，为6.05MPa。综上闸门结构应力特征来看，2号方案第一主应力最小，应力分布较稳定，属较佳设计。

图9 各设计方案结构特征参数应力结果

图10为两种工况下各设计方案中闸门结构变形特征。从图中可知，工况一总变形最大为4号方案，达0.934mm，2号方案总变形最低，仅为前者84%；另闸门垂直方向变形量值亦是以2号方案为最低，仅为0.058mm，分析表明2号设计方案在闸门振动作用下，变形影响较小。当上游流速增大至20m/s后，各设计方案中变形值均有较大幅度提高，其中1号平底式设计方案中总变形增大了3.2倍，此时总变形仍以2号方案为最低，Z轴变形亦是最低，为3.47mm，1号平底式设计方案Z轴变形相比前者增大了6.6%。综合分析表明，即使上游流速增大，2号设计方案闸门结构变形仍为最低。