不同开度下平面钢闸门流固耦合数值模拟研究

刘竹丽 陈赟 伊元忠

摘 要：为研究闸门流激振动问题，采用双向流固耦合方法，以ANSYS-Workbench为工具，建立了闸门和流场的有限元模型，将闸门和流场的接触面设置为流固耦合接触面，进行流场和结构场间数据的双向交换，对不同开度下闸门流激振动情况进行了数值模拟，得到了闸门不同开度下的位移、应力情况。结果表明：闸门振动位移及应力随闸门开度的增大而逐渐减小。

关键词：平面闸门;流激振动;流固耦合;数值模拟

中图分类号：TV663+.4   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.016

Abstract：In order to study the flow-induced vibration of the gate， the finite element model of the gate and flow field were established by ANSYS-Workbench. The contact surfaces between the gate and flow field were set as fluid structure interaction interface to exchange data between flow field and structure field. Based on two-way fluid-structure interaction， the research conducted numerical simulation of the flow-induced vibration of the gate with different openings and obtained the distribution of displacement and stress at each opening of the gate. The results show that the displacement and stress of the gate gradually decrease with the increase of the opening degree.

Key words： plane gate; flow-induced vibration; fluid structure interaction; numerical simulation

閘门是水利枢纽工程的重要组成部分，保证闸门正常运行对水利工程至关重要。闸门在动水作用下易发生振动，剧烈振动会影响闸门的安全运行，甚至导致闸门破坏，给人民的生命财产安全带来巨大威胁，闸门的流激振动问题日渐受到重视。目前研究闸门振动问题的主要方法有原型观测法[1]、模型试验法[2-3]、数值分析法[4-6]。古华等[7]得到了流体对闸门振动特性的影响规律及流固耦合计算时液相长度的合理取值范围。胡剑杰等[8]研究了影响水流作用下弧面三角闸门自振特性的因素，得到了闸门干模态以及在不同门前水体宽度和高度下的湿模态。薛惠芳[9]研究了流固耦合对闸门结构动态特性的影响，分析了平面闸门在无水和有水状态下的振动特性。目前，闸门振动特性方面的研究较多，但关于流激振动下闸门的应力及位移情况的研究较少。

本文基于ANSYS Workbench，通过流固耦合方法对闸门不同开度下的流激振动情况及开度对闸门振动位移和应力的影响进行仿真分析，以期为闸门设计及闸门的流激振动仿真分析提供参考。

1 流固耦合理论基础

1.1 结构动力学方程

1.3 流固耦合理论

流固耦合的求解过程较为复杂，需要通过流固耦合交界面进行数据交换，实现流场与结构场的耦合模拟[10]。计算时，单独建立流场和结构场的控制方程，在一个时间步中分别求解，流场计算结果通过耦合面传递给结构场，结构场计算结果通过耦合面传递给流场。双向流固耦合分别对流场和结构场进行求解，既可利用相互独立的两个领域内各自算法的优势，计算简便，精度提高，又通过耦合面实现了不同计算域间的数据传递，考虑了流场和结构场间的相互影响，计算结果准确，符合工程实际。流场与结构场间数据交换类型见表1。

2 模型描述

2.1 闸门模型

某水利枢纽泄洪闸事故检修闸门为潜孔式平面钢闸门，孔口尺寸为8.0 m×10.0 m（宽×高），闸底高程为1 750 m，正常蓄水位为1 820 m。平面闸门为焊接结构，闸门门叶布置10道主梁、8道纵梁及4道边梁，主轮布置在内外边梁之间。闸门材料为Q345C，材料属性见表2。

为避免外部软件所建模型导入ANSYS时因接口问题而造成扭曲、多面、丢面的现象，本文直接在ANSYS Workbench的DM模块中建立闸门实体模型，而后抽取模型的中面，并根据实际情况进行适当修补，生成闸门面模型。根据闸门结构特点，选取SHELL 181单元[11]对闸门中面模型进行网格划分，得到闸门有限元模型。SHELL 181单元为壳体单元，适合分析中等厚度的板壳结构，具有大变形、大扭转的功能。该单元有4个节点，每个节点有6个自由度。平面闸门有限元模型共有78 107个节点、80 422个单元。闸门跨度方向为x向，闸门高度方向为y向，上游至下游的流向方向为z向，闸门两侧受到跨度方向和水流方向约束，闸门顶部受到竖直方向约束。

2.2 流场模型

在建立平面闸门模型的基础上，在ANSYS Workbench中建立流场模型。上游库区长度为5倍的流道进口高度，为节省计算资源，库区只建立下半部分，流道长160 m，见图1。流场模型建立完成后，通过ICEM对模型进行结构化网格划分。库区左侧和库区顶部为压力入口：库区左侧为静压分布，具体压力值通过UDF命令设置;库区顶部设置为受30 m水深压力。流道出口为大气压力出口。

2.3 流固耦合接触设置

将闸门与水流接触面以及水流与闸门接触面分别在结构场计算和流场计算中设置为流固耦合面，并在System Coupling中对这对流固耦合面设置数据交换。流场向结构场传递力，结构场向流场传递位移。计算时长为2 s。

3 闸门计算结果分析

对相对开度为0.1～0.8的闸门流激振动进行模拟，以闸门相对开度为0.2的工况为例，分析流激振动作用下闸门的位移及应力分布情况。

3.1 流激振动下闸门振动位移

图2为闸门相对开度为0.2时的位移云图，闸门在流激振动作用下最大位移出现在闸门面板跨度方向中轴线处，图中Max位置。位移由闸门面板中部向左右两侧逐渐减小，且沿闸门面板中轴线对称，位移由闸门中部向上部也逐渐减小，位移分布层次明显。闸门变形发生在跨度方向中轴线附近，形式为弯曲。图3为闸门最大位移剖面，由图3可知，面板壁薄且受力面较大，沿顺水流方向凹陷明显。闸门位移在初始阶段于3.407～4.768 mm范围内波动，计算0.4 s后稳定在4.07 mm左右。

3.2 流激振动下闸门振动应力

相对开度为0.2时，闸门在流激振动作用下的应力分布见图4。由图4可知，最大应力出现在闸门主梁、纵梁与面板接触位置，其余部位应力相对较小，应力分布基本沿闸门面板跨度方向的中轴线对称。闸门应力在初始階段于158.8～185.8 MPa范围内波动，并在计算0.35 s后稳定在172 MPa左右。

3.3 开度对闸门位移和应力的影响

（1）位移情况。随着闸门开度的增大，最大位移点逐渐向闸门面板下方移动。本文采用随机统计学方法分析动位移，用位移均值+3倍均方差来估算各开度下的最大位移，闸门最大位移随开度变化曲线见图5。由图5可知，闸门最大位移出现在相对开度为0.1时，为4.608 mm，闸门最大位移随开度的增大逐渐减小，但相对开度为0.4时的最大位移仅次于相对开度为0.1时的，比相对开度为0.2、0.3时都要大。图5 闸门最大位移随相对开度变化曲线

相对开度为0.1～0.8时闸门位移随时间变化曲线见图6，闸门位移波动范围随闸门开度的增大而减小，且达到稳定后的位移也随开度的增大而减小。在相对开度为0.4时，位移初始波动幅度比相对开度为0.2、0.3时大，且闸门位移一直处于波动的状态。因此，延长相对开度0.4时的计算时间至5 s。由图7可看出，闸门开度为0.4时，位移后期在3.90～4.25 mm范围波动，直至计算5 s仍处于波动状态，估算得到此工况下最大位移为4.429 mm。

图8为相对开度为0.2时主梁8在流激振动下的位移云图，最大位移出现在主梁跨中部位，两侧位移较小，位移由中部向两侧逐渐减小，且位移基本沿闸门面板中轴线对称分布，位移朝向下游方向。

各个主梁在各开度下的最大位移均出现在跨中处，图9为主梁1～10在不同开度时的最大位移曲线。由图9可知，主梁1～5的最大位移都随闸门开度的增大而逐渐减小，而主梁6～10在相对开度为0.4时的最大位移相比相对开度为0.3时明显增大，开度大于0.4后，主梁最大位移随开度的增大逐渐减小。可知，相对开度为0.4时闸门的位移情况相对较复杂。

图10为各开度下主梁最大位移变化曲线。由图10可知，相对开度为0.1时，主梁位移最大。在相对开度为0.5～0.8时，主梁最大位移随着主梁编号的增大而逐渐增大，开度越小，主梁位移越大。在相对开度为0.1～0.3时，主梁位移随主梁编号的增大而增大，在主梁编号为8时出现小幅下降。相对开度为0.4时，主梁位移增大较快，主梁7～10的最大位移接近于相对开度为0.1时的。

（2）应力情况。同样采用随机统计学方法分析动应力，用应力均值+3倍均方差来估算各开度下的最大应力，闸门最大应力随开度变化曲线见图11。闸门最大应力出现在相对开度为0.3时，为185 MPa。闸门最大应力随开度的增大而逐渐减小，这是因为随着闸门开度的增大，闸门与水体直接接触面积减小，闸门垂直受力面积变小，闸门所受的水体作用也在减小，所以受力也逐渐减小。

闸门相对开度为0.1～0.8时应力随时间变化曲线见图12。由图12可知，闸门应力的波动幅度随开度的增大而减小，且波动一般只出现在初始阶段，后期逐渐达到稳定。但在相对开度为0.4时，闸门应力一直处于波动的状态，其最大值也比相对开度为0.5时大。因此，延长相对开度为0.4时的计算时间至5 s，由图13可看出，闸门开度为0.4时，应力在153～171 MPa间波动，直至计算5 s仍处于波动状态，估算得到此工况下的最大应力为174.32 MPa。结合图7分析，相对开度为0.4时位移、应力均处于波动状态，此工况是较危险工况，在闭门时应尽量快速通过此开度，避免较长时间停留。

图14为主梁1～10在不同开度时后翼缘跨中处应力变化曲线。由图14可知，主梁1～5的应力皆随闸门开度的增大而减小，而主梁6～10在相对开度为0.4时的最大应力比相对开度为0.3时明显增大，开度大于0.4后，主梁6～8应力随开度增大逐渐减小，主梁9、10在相对开度为0.6时最大应力与相对开度为0.5时基本持平，之后应力随开度增大逐渐减小。

图15为各开度下主梁跨中处应力变化曲线。由图15可知，在相对开度为0.6～0.8时，主梁应力随着主梁编号的增大而逐渐增大，且开度越大，主梁应力越小。在相对开度为0.4～0.5时，主梁应力随编号增大而逐渐增大，到主梁9时出现小幅下降。在相对开度为0.1～0.4时主梁5、主梁8应力比周围主梁大，原因是主梁5和主梁8无前翼缘，容易产生较大应力。相对开度为0.4时，主梁应力增大较快，主梁6～10的最大应力接近甚至超过了相对开度为0.1时的应力。

4 结 论

通过流固耦合方法对闸门流激振动进行模拟，分别对不同开度下的流激振动情况进行研究，发现闸门在流激振动作用下的位移和应力与闸门开度存在一定关系，得到如下结论：

（1）各开度下最大位移都出现在闸门面板跨度方向的中轴线位置，且位移由闸门面板中部向左右两侧逐渐减小，位移沿闸门面板中轴线基本呈对称状态。面板壁薄且受力面大，沿水流方向会出现明显凹陷。闸门最大位移随着闸门开度的增大而逐渐减小，且出现最大位移的位置随着闸门开度的增大逐渐向闸门下部移动。

（2）各开度下闸门最大应力均出现在闸门主梁、纵梁与面板接触的位置，应力基本沿闸门面板中轴线对称。随着闸门开度的增大，闸门垂直受力面积逐渐减小，最大应力也逐渐减小。

（3）闸门最大位移为4.608 mm，与计算跨度的比值为1/1 953，远小于规范[12]规定的允许值（1/750）;最大应力为185 MPa，在允许范围内，闸门强度、刚度满足要求，能够安全运行。

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【责任编辑 张华岩】