平面钢闸门自由出流流固耦合数值模拟

万宇飞 杨光明 郭军良

摘 要：针对某露顶式平面钢闸门自由出流下水动力特性及闸门动态响应进行研究，基于ANSYS Workbench平台的Fluent流体分析模块及Static Structural固体结构分析模块，结合动网格技术采用VOF法捕捉闸门开启过程时自由表面流，获得了闸门开启过程中瞬时流速、动水压力、湍动能的发生发展过程。同时，考虑动水压力变化，进行水流-闸门的单向流固耦合数值模拟，闸门应力、应变时程变化规律表明：闸门起吊时各构件最大等效应力大于起吊前的;开启过程中，各项最大应力随时间非线性减小;最大应力值及最大变形主要集中在底部主横梁靠近中间纵梁区域。

关键词：平面钢闸门;动水开启;水动力特性;流固耦合;应力应变

中图分类号：TV663+.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.023

Abstract： In view of the hydrodynamic characteristics and dynamic response of free flow out of a top emersed top steel gate， basing on the Fluent fluid analysis module and the Static Structural solid structure analysis module of ANSYS Workbench platform， the free surface flow of gate opening was captured by the dynamic grid technology and VOF method， then， the occurrence and development process of instantaneous velocity， dynamic water pressure and turbulent kinetic energy under the gate opening were obtained. At the same time， considering the change of the dynamic water pressure， the numerical simulation of unidirectional fluid-solid coupling of the water gate was carried out. The law of the stress and strain term changes indicates that the maximum equivalent stress of gate members after lifted is greater than that in normal water retaining condition; the maximum stress decreases with the opening time; the maximum stress value and deformation are mainly concentrated on the areas of bottom main beams near the middle longitudinal beam.

Key words： plane steel gate; gate opening; hydrodynamic characteristic; fluid-structure interaction; stress and strain

水工鋼闸门的安全运行至关重要，闸门开启过程中以及固定开度下泄流时闸下流体的不稳定性很容易引起闸门的空蚀和振动。其中，平面闸门动水启闭的水动力特性复杂，是水工闸门设计、研究的难点[1-3]。

近年来，随着计算机技术迅速发展，数值计算方法因避免了原型观测方法费用高、条件受限等问题，无模型试验的缩尺效应等，而在闸门动水启闭研究方面得到了广泛应用[4]。如沙海飞等[5]采用网格变形与结构重构的方法实现了动网格对闸门开启过程非恒定流的数值模拟，得到了不同开启速度下的水动力特性;章晋雄[6]结合平面事故闸门动水关闭的水力学模型试验，用数值模拟方法分析了平面闸门动水关闭的水动力荷载;訾娟[7]对平面、弧形闸门启闭过程中的动水启闭力做了研究;马峥等[8]对三峡船闸末级闸首阀门段输水廊道水流状态进行了二维、三维数值模拟，比较不同开启速率和一定开度下紧急闭门时内部流场变化;杨婷婷等[9]针对不同开度下泄流的平面闸门进行数值模拟，运用标准RND k-ε湍流模型和VOF法，获得了闸门周围流场压力、流速、湍动能的变化规律。而针对平面闸门动水开启两相流数值模拟方面的研究较少。笔者在前人研究固定开度下水动力特性及流固耦合特性的基础上，进行了闸门开启动态过程的水力分析，并首次尝试闸门开启过程的单向流固耦合模拟，得到了闸门应力、应变计算结果。

1 动网格与自由表面流VOF模型

1.1 动网格技术

动网格技术要点存在两大问题：运动方式的描述以及网格的再生[10-11]。

定义物体部件的运动时常用速度进行表达。速度定义方式分为两种类型：一是显式定义，部件为主要运动，即给定运动部件的速度;二为隐式定义，无法直接获得速度，通过牛顿定律计算得到，又称被动运动。闸门运动则采用显式定义。

动网格算法主要用来计算内部网格节点的调节，在FLUENT中有铺层、弹性光滑、局部重构三种算法。其中动态铺层方法适用于边界线性运动和四面体、六面体或三棱柱网格。本文流体计算域即采用六面体网格和动态铺层法处理网格问题。

1.2 VOF自由表面流数学模型

闸门开启过程中，闸后流动区域水、气互不相溶，属于水气两相分层流动，采用VOF法能处理自由表面流的非线性变形问题，该方法计算量小且简易可行[12]。

2 三维建模与求解设置

2.1 工程实例

以某水利工程露顶式泄洪闸平面工作闸门为研究对象。梁格采用等高布置，闸门底槛高程为42.60 m。主横梁和边、纵梁均为T形截面梁，其中：主横梁4根，编号1#～4#;小横梁为18号槽钢，共3根，编号1#～3#（从上到下）;边梁4根，纵梁1根，编号1#～5#（从左到右）。

工作闸门材料为Q235，弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7.85×103 kg/m3。闸门与启闭机的主要工作参数见表1。

2.2 流体模型

2.2.1 建模及网格划分

在ICEM CFD中完成流体的建模及网格划分，采用速度入口，有流量进入。如果闸前水体较少，则容易引起闸前水位剧烈波动，实际上闸前水体巨大，即使开闸，闸前水位变化也不大，取较长的流体计算域即模拟这种情况，故取闸前水体长度为110 m，同时闸后计算域长度为20 m[13]。以顺流道中心面建立对称模型，模型宽度为1.73 m，高度取8 m。坐标系以顺水流方向为x轴，竖直向上为y轴，流道侧面指向中心面的方向为z轴。闸门面板位置x=10 m。

为保证计算结果的精确性，对模型闸门区网格进行加密，建模时把闸门附近流体单独分离作为Part1划分网格，此区域前后流体作为Part2划分网格。划分网格单元总数为840 465个，节点总数为901 240个。流体计算域如图1所示，闸门区网格局部放大见图2。

2.2.2 计算条件设置

设置计算域水流进口为速度入口，入流速度为0.5 m/s，空气进口面为对称边界，出口面设置为压力出口，相对压力为0，流道底面和闸门表面均为固壁边界条件，其余侧面及顶部边界设为对称边界。壁面函数选取标准壁面函数，求解器选择基于压力的分离式求解器，算法采用PISO算法[14]。

在FLUENT动网格流场计算中，固体区域被视为刚体，用包围固体运动域的边界来表示固体，闸门即是如此。用Profile文件来定义边界运动，初始条件为闸门关闭。

2.3 闸门模型

闸门模型在Design Modeler中建立。闸门开启过程中，在吊耳处施加竖直方向的约束，在滚轮处施加水流方向的约束，面板处施加宽度方向的约束;闸门关闭时，在闸门底部施加竖向位移约束，滚轮处施加水流方向的约束，面板处施加宽度方向的约束。

使用Automatic对模型进行自由网格划分，总体网格尺寸选用30 mm×30 mm，吊耳孔、主轮轴孔处进行加密处理，网格尺寸为10 mm×10 mm，划分单元总数为81 655个，节点总数为219 498个。完整的闸门模型如图3所示。

3 闸门开启过程水动力特性分析

3.1 瞬态流速分布

瞬态流速分布规律：水流最大流速随开启时间而逐渐减小，最大流速出现的范围由闸门底缘附近逐渐向流道后部转移。水流Vm时程曲线见图4。

3.2 流场压力分布

动水压强分布规律：各时刻动水压强最大值均出现在闸门底缘后方，动水压强的变化趋势与水流速度的变化趋势一致，水流速度越大的地方动水压强也越大。随着开度的增加动水压强最大值所在区域向流道后方转移，且动水压强大于零的区域缓慢向闸前水体扩展，底止水前下方区域固定位置处动水压强随时间缓慢增大。

随着闸门的开启，面板动压力先呈抛物线形增加，在t=11.26 s达到最大值3 877.57 N，随后逐渐下降，在t=20 s左右动压力出现波动，并在波动中逐渐下降，原因是t=20 s左右闸前水面处出现旋涡和涌浪。到达t=33 s左右，动压力逐渐减为0，原因是此时闸门底缘脱离水面，水体不再对闸门构成影响。面板动压力时程监测曲线见图5。

3.3 湍动能分布

湍动能分布规律：自由出流下湍动能较大的区域主要发生在水气交界面的气体区域，水体中最大湍动能不超过0.5 J/kg且逐渐向后移动，数值逐渐减小，对闸门区的影响不大。图5 面板动压力时程曲线

4 闸门结构分析

4.1 单向流固耦合设置

本文采用FLUENT软件和Static Structural模块分别对流体部分和固体部分进行计算分析，在计算闸门开启全过程流场状态的基础上，提取多个时刻流体分析结果，作为闸门结构分析的表面荷载，完成闸门单向流固耦合分析。

自由出流情况下闸门和水体接触的面为面板，故设面板为流固耦合面。计算前，将闸门模型位置调整至流体中闸门相对应的位置，以便面板水压力传递。

4.2 结构应力分析

提取闸门开启过程中t=0、1、5、10、15、20、25 s时流体计算结果，进行闸门结构的应力、应变分析。其中t=0 s时分为两种工况：一是启闭机未启动;二是启闭机启动，闸门开始脱离地面。两种工况分别设为0-s、0+s，以下均将t=0+s工况值赋值于t=0 s工况进行作图。

4.2.1 面板应力分析

面板最大等效应力时程曲线见图6。

（1）t=0-s工况最大等效应力为102.74 MPa，t=0+s工况最大等效应力为109.49 MPa，增大了6.6%左右。闸门在刚刚开启时，面板等效应力突增，随着闸门的开启，面板最大等效应力呈非线性减小趋势。

（2）各工况下最大等效应力出现的位置多数在4#主横梁（底主梁）与底缘靠近3#纵梁的肋板交界处。主要原因是此處各构件相互连接，受力复杂，动水情况下闸前水压力并非如静水压力那样为线性分布，靠近底缘的水流速度逐渐增大，导致静压减小。

4.2.2 主横梁应力分布

主横梁应力绝对值时程曲线见图7。

（1）t=0-s工况最大等效应力为67.62 MPa，t=0+s工况最大等效应力为72.65 MPa，t=0+s工况比t=0-s工况主横梁等效应力增加7.4%。闸门刚刚开启时受力条件的变化使主横梁等效应力突增，主横梁应力随时间总体呈下降趋势。

（2）等效应力较大的区域主要集中在3#、4#主横梁上，随着闸门的开启，1#主横梁靠近吊耳处应力相对值逐渐增大。

4.2.3 纵 梁

纵梁应力绝对值时程曲线见图8。

（1）t=0-s工况最大等效应力为54.86 MPa，t=0+s工况最大等效应力为56.82 MPa。随后应力最大值逐渐减小，其中等效应力和x向正应力减小幅度较大，剪应力和y向正应力减小幅度较小。

（2）t=0+s工况和t=0-s工况等效应力的分布相似。闸门开启过程中t=1 s到20 s时等效应力的分布均一致，最大等效应力的位置也一样，均处在3#纵梁在3#、4#主横梁之间部分的中间位置。t=25 s时，最大等效应力转移到3#纵梁顶部位置，原因在于此时开度较大，水压力较小，重力成为影响内力的主要因素。

4.3 结构变形分析

绘制各时间工况下闸门结构变形云图，其中t=0-s工况下闸门变形云图见图9。

各时间工况下闸门结构最大变形见表2。

t=0+s工况与t=0-s工况相比，闸门变形量相同，均为2.58 mm，说明闸门刚刚开启时受力条件的变化对闸门变形没有影响，此后各工况下变形量逐漸减小。闸门最大变形量所在的位置在3#、4#主横梁与靠近3#纵梁的面板区格的中心位置。闸门开启过程中结构最大变形的分布位置保持不变，可以对该区域进行优化设计。

5 结 论

针对某露顶式平面闸门开启过程自由出流的非恒定流问题，兼容使用动网格与VOF模型进行三维仿真模拟，得到了流速、压力、湍动能时程分布规律，在定性上是可信的。

水体-闸门的单向流固耦合分析结果表明：闸门刚刚起吊时等效应力大于起吊前;随着时间变化，应力呈非线性减小趋势;各构件应力最大值及最大变形区域主要集中在3#、4#主横梁之间靠近3#纵梁的梁格区域，且分布区域随时间变化不大。

本文建模时没有考虑门槽的影响，实际上水流从闸门底缘靠近边梁处射出后，会急剧侧向扩散，在门槽中形成旋涡，且在下游边壁处产生脱壁分离，该现象对闸门的影响还需深入研究。

参考文献：

[1] 胡友安，王孟.水工钢闸门数值模拟与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2010：3-6.

[2] 国家能源局.水电工程钢闸门设计规范： NB 35055—2015[S].北京：中国电力出版社，2016：2-3.

[3] 古华，严根华.水工闸门流固耦合自振特性数值分析[J].振动、测试与诊断，2008（3）：242-246.

[4] KUNUGI T. MARS for Multiphase Calculation[J]. Computational Fluid Dynamics Journal， 2001， 19（1）： 563-571.

[5] 沙海飞，周辉，吴时强，等.用动网格模拟闸门开启过程非恒定水流特性[C]//中国水利学会第二届青年科技论坛文集.郑州：黄河水利出版社，2005：311-315.

[6] 章晋雄.高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2013：128.

[7] 訾娟.水工闸门启闭过程中的动水垂直力的数值模拟研究[D].天津：天津大学，2012：80.

[8] 马峥，张计光，陈红勋，等.三峡永久船闸输水廊道水动力学特性研究[J].水动力学研究与进展：A辑，2007（2）：175-181.

[9] 杨婷婷，何士华，沈春颖，等.不同开度下平面闸门水动力特性数值分析[J].云南水力发电，2016（1）：34-37.

[10] 朱红钧.FLUENT15.0流场分析实战指南[M].北京：人民邮电出版社，2015：333-340.

[11] 朱仁庆，杨松林，王志东.闸门开启过程中水体流动的数值模拟[J].华东船舶工业学院学报，1998（3）：19-22.

[12] 张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展，2005（2）：67-70.

[13] 张学森.基于流固耦合数值模拟的深孔平面钢闸门底缘结构型式研究[D].杨陵：西北农林科技大学，2011：6.

[14] 刘亚坤，倪汉根，叶子青，等.水工弧形闸门流激振动分析[J].大连理工大学学报，2005，45（5）：731-734.

【责任编辑 张华岩】