双向钢闸门反向挡水启门力CFD分析与减载对策

孙涛，仇宝云，黄先北，周晨露，倪春，于贤磊，荐威，雍成林

(1. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210000； 2. 扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

垂直提升式平面钢闸门由于结构简单、维护方便，在水利工程中得到了广泛的应用[1].由于水闸上下游水位以及调水需求的变化，不少闸门在使用中存在正向挡水与反向挡水2种情况[2-3].闸门反向挡水时面板贴近下游，而梁系结构则贴近上游，与正向挡水相比，闸门泄水时受力复杂.江苏省某闸站枢纽节制闸在反向挡水时，出现了实测启门力超过液压启闭机系统设计值50%左右，严重时不能启门，经多次现场检查和验算，排除了启闭机的设计、选择与工作问题，因此，闸门反向挡水时启门力大幅增大，从而给启闭机系统的安全可靠运行带来极大的隐患.

关于启门力的降低方法，一些学者从启闭机布置[4]与闸门升降技术[5-6]两方面进行分析并提出了相应的方案.然而，这些方案往往适用于新建闸门，而对于已建成的闸门并不适用.因此，需从闸孔过流流动本身出发，探寻更经济实用的改进方法.

还有学者从不同方面给出了启门力中下吸力、行走支承的摩擦力和止水摩擦力的计算方法[7-10].刘鹏等[6]探讨了流激振动对启门力的影响，提出了作用于闸门面板上的激振力计算公式；高仕赵[7]研究了泥沙淤积对启门力的影响；KOSTECKI等[9]阐述了闸门下降过程中非稳定流动引起的水动力特性.值得注意的是，当闸门激振力较小，或水力条件较好时，上述研究尚无法解释平面闸门在反向挡水时启门力增大的原因，从而无法有针对性地提出相应的解决措施.

文中以江苏省某节制闸为研究对象，针对垂直提升式平面钢闸反向挡水时启门力异常增大的问题，基于计算流体动力学CFD方法研究闸孔过流流场及其对闸门的作用，提出闸门结构改进方案，降低启门力.

1 水闸参数与物理模型

江苏省某闸站枢纽节制闸为3孔，采用垂直提升式液压平板钢闸门，设计流量为500 m3/s，水闸与底板纵剖面及相关参数如图1所示.

闸门高度4.5 m，H为闸门开高，闸室上游长度为10.2 m，下游长度为20.4 m，为保证数值计算给定的进口边界条件更合理，将闸室上游延长至40 m处.

考虑到流动沿水闸宽度方向的中心线对称分布，取闸门的一半进行流场CFD分析研究，如图1b所示.

图1 水闸过流纵剖面图与三维模型

2 闸门启门力数值计算

2.1 闸门过流流场CFD计算控制方程与边界条件

文中采用雷诺时均N-S方程求解湍流场，控制方程为

(1)

式中：u为速度，m/s；〈〉表示雷诺平均；p为压力，Pa；ρ为密度，kg/m3；νt为涡黏系数，m2/s；τR,ij为雷诺应力，m2/s2；x为笛卡儿坐标；i=1,2,3，j=1,2,3.为求解雷诺应力，选择常用的标准k-ε模型.

过闸流动是典型的水气两相流，文中采用均相流模型，即两相共用速度与压力场，相间不存在滑移速度.同时采用VOF方法捕捉相间的交界面.计算域划分为水域与空气域，其中水域的高度根据水闸运行时的上、下游水位给定，考虑到计算量与精度，空气域为水面向上延伸1.0 m范围.计算域网格划分时，在水闸以及自由水面附近进行加密处理，以充分解析该区域的流动．文中网格总数控制在8.0×106左右，如图2所示为水闸开高1.65 m时的网格.

图2 闸门反向挡水时计算域网格与边界条件设置

计算域以及相应的边界条件如图2b所示，采用边界条件如下：① 水域进口，流量进口条件，水的体积分数设置为1，空气体积分数为0;② 水域出口，流量出口条件;③ 闸门面板宽度方向的中线所在面，对称边界;④ 空气域上表面，Opening 边界(开敞边界)，压力设置为0，且水的体积分数为0，空气体积分数为1;⑤ 空气域与水域之间交界面，Gerneral Connection．未标注的边界均使用无滑移固壁条件.

2.2 闸门受力分析

图3为启门时闸门所受重力G、水流垂直作用力Fy、水流水平作用力Fx、摩擦力Fm、门槽对闸门滚轮的水平反力Fw、启门力Ft的共同作用.

图3 闸门受力分析

1) 重力.闸门(包括滚轮)的重力以及液压缸活塞杆的自重，计算公式为

G=G闸+G杆,

(2)

根据闸门设计参数，G=1.862×105N.

2) 水流作用力.闸门所受Fx与Fy可根据CFD结果计算获得.

3) 摩擦力.启门时的摩擦力由门侧止水橡皮与门槽的摩擦力和滚轮处的摩擦力2部分组成.

门侧止水橡皮与门槽的摩擦力,计算公式为

Fmp=γ1Fx1，

(3)

式中：Fx1为水流水平作用力Fx作用在侧止水橡皮上的力，根据设计资料为2 200 N；γ1为橡皮与门槽摩擦系数，门槽为钢，系数取值0.5.

滚轮轴承处的摩擦力为

Fml=γ2(Fx-Fx1),

(4)

式中：γ2为摩擦系数，本例采用的为滑动轴承，取值0.05．

4) 启门力.根据图3受力分析可知，启门力为

Ft=G+Fy+Fm=G+Fy+Fml+Fmp.

(5)

2.3 CFD启门力计算结果验证

闸站现场测试了闸门开启过程中不同开高时的启门力，相关数据见表1.

表1 闸门不同开高启门力CFD预测与试验结果对比

上下游起始水位分别为30.51,27.36 m时，启门时闸门不同开高时的过流流量和启门力CFD预测计算值Ft,CFD和试验实测值Ft,EXP两者一致，表明文中启门力预测方法可行.

3 闸门反向挡水启门力分析与对策

3.1 反向启门力大于正向启门力的原因

由表1可知，闸门自重G必不可少；水流垂直作用力Fy较大，达到自重的2/3左右，与Fm的比值为8～12.因此启门力异常增大是受Fy的影响，降低启门力的关键在于减小Fy.

取图4a所示的通过闸门横梁中部排水孔中心的横截面，该截面距面板0.55 m.闸门在水中的受力表现为压力，图4b为闸门开高H=1.65 m时该横截面上的压力分布.由于闸门提升后，上部处于空气中，因此该横截面仅针对闸门水下部分进行截取，由图4b可见，启门过程中，门前下泄水流对闸门底部主梁形成向下的冲击作用，主梁上表面压力明显高于下表面，形成较大的压力差，这就是启门力增大的原因.另一方面，闸门中部和上部主梁由于水流垂直方向速度很小，上下无明显压差.

图4 闸门排水孔中心横截面上的压力分布

3.2 减小启门力对策

由图4可知，启门时，虽然下泄水流冲击在底部主梁上下表面形成较大的压力差，但在排水孔处，由于水流下泄通畅，压力差明显降低，排水孔在一定程度上降低了启门力，为进一步降低启门力，可在保证底部主梁强度和刚度的前提下，将其排水孔面积扩大.令原设计排水孔面积为A，将排水孔面积扩大至2A，4A，6A与8A.

根据前述分析，H=1.65 m时启门力最大，针对该开高时的过流水流作用力，计算闸门底部横梁不同排水孔面积方案的启门力.以原设计排水孔面积方案启门力为基准，定义其他面积方案启门力下降比例为

(6)

不同排水孔面积时的φ值如表2所示.随着排水孔面积的增大，启门力的下降比例逐渐上升.增大开孔面积，横梁强度和刚度减小，权衡开孔只计算到原面积的8倍.当排水孔增大为原面积的8倍时，启门力下降约10%.

表2 不同排水孔面积时的φ值

为进一步分析启门力下降的原因，对闸门上的压力进行研究.图5所示为1A与8A共2种情况下，闸门排水孔中心横截面上的压力分布.由图5可见，排水孔面积增大为原来的8倍后，排水孔占主梁面积的比例增大，水流下泄更为通畅，主梁下表面压力增大，上下表面压差显著减小，因此启门力下降.

图5 不同排水孔面积下闸门横截面压力分布

为进一步验证增大排水孔方案的适用性，将排水孔面积增大为原来的8倍，计算闸门不同开高的情况，底部主梁上下表面压差与启门力并与原型的数据进行对比，如表3所示.

表3 排水孔面积增大前后的启门力

由表3可知，启门初期门体开高较小时，门孔阻力大，流速小，水流主要呈水平方向，水流对底部横梁冲击小，因此启门力小；启门过程中随着开高增加，门孔水流阻力减小，流速急剧增大，门孔前上部水体下泄速度增大，水流呈斜向下方向，形成对底部横梁的强烈冲击，因此，启门力增大；当门体开高继续增大时，由于过流断面增大，水流流速减小，且流向趋于水平，水流对底部横梁冲击逐渐减小，因此，启门力减小.启门力规律理论分析结果与实测和计算结果相符.

显然，当排水孔面积增大后，闸门在不同开高时启门力均有较大幅度的降低，幅度为7.6%～11.9%.此外，观察排水孔为8A的启门力变化规律可见，启门力仍为先增大后减小，随后再增大最后减小的规律.对于闸门反向挡水的情况，H=1.65 m仍为启门力达到峰值的开高位置.

闸门正向挡水时，由于启门时背面梁格处于死水区，增大横梁排水孔面积对正向启门力并没有影响.

4 横梁排水孔加大后闸门强度校核

闸门使用时由主滚轮支撑闸门边框，此时主梁主要受弯曲应力作用.底部主梁上排水孔增大后，可能会导致强度不够.因此，针对该节制闸强度校核水位(上游水位32.39 m，下游水位26.00 m)，采用基于ANSYS Workbench的有限元方法分析排水孔面积1A与8A这2种情况下，闸门开高1.65 m时的应力分布情况(此时受力最大)，校核闸门是否满足强度要求.

有限元分析受力时，对每个有限元节点，以平衡方程求解，即

F=kδ，

(7)

式中：k为节点的刚度，N/m；δ为节点的位移，m.

当闸门开高为1.65 m时，闸门中部主梁以上部分均处于空气中，该部分无水流作用力.由于底部主梁上下表面的压力分布接近均匀分布，而主梁下方的压力分布则与静水压力分布相近，采用图6a所示的有限元模型，部分尺寸见图中标注，此外，钢板厚度均为10 mm，2根长为6.4 m的工字钢组成“X”形结构加强挡水时闸门强度.计算中底部主梁上下表面压力采用CFD结果给定的平均压力，面板后面4个凸面为滚轮与门槽接触面，为支撑点，闸门其余门面给定静水压力分布，自由水面位置按上游水位位置给定.

图6 不同闸门方案在开高1.65 m时的等效应力分布

闸门开高为1.65 m时，1A与8A方案的等效应力分布如图6b，c所示.由图可见，应力最集中、最大的区域位于闸门中部横梁两端面板一侧，这是因为该区域有滚轮支撑、弯矩最大.

在底部横梁排水孔附近，排水孔面积8A方案较1A方案应力集中更明显，但由于最大应力出现在横梁两端，该处不是应力控制点，因此，对门体整体强度没有影响.

在有限元分析中，往往以等效应力判定强度.文中研究的闸门材料为Q235钢，屈服强度为235 MPa.1A方案的最大等效应力为78.9 MPa；而8A方案的最大等效应力为44.9 MPa，小于1A方案.2种方案下的等效应力均远小于材料的屈服强度.因此，闸门强度足够.值得注意的是，闸门8A方案的横梁最大等效应力小于1A方案，这是由于8A方案水流对下部横梁的冲击力大幅减小，同时也减小了水流对闸门的水平作用力，从而减小了横梁的作用荷载和应力.

5 结 论

1) 采用CFD预测的反向挡水平面闸门启门力的计算结果和规律与启门力实测结果一致.

2) 平面钢闸门反向挡水启门力增大的原因是，下泄水流对闸门底部主梁向下的冲击作用，造成了主梁上表面压力大、下表面压力小，该压力差使启门力增大近50%.

3) 底部主梁排水孔附近上下表面压差较小，增大排水孔面积，可显著减小主梁上下表面压差，达到减小启门力的目的，启门力下降比例与排水孔面积增大比例近似呈线性关系.当排水孔面积增大为原排水孔的8倍时，启门力下降7.6%～11.9%，效果显著.

4) 基于ANSYS Workbench分析的闸门在强度校核水位下应力分布情况，底部横梁排水孔增大为8A后，闸门最大等效应力反而下降，且远小于材料屈服强度，闸门强度足够.因此，双向挡水闸门，其背面底部横梁应该在保证强度和刚度的前提下，尽量增大排水孔面积.