自動滾筒閘門脈動壓力特性試驗研究

李利榮 王順

摘要：用于多泥沙河流的自動滾筒閘門在自動啟閉過程中會因水流脈動壓力而產生振動，引起閘體失穩或結構破壞。針對自動滾筒閘門啟閉過程中水流邊界條件情況，制作了滾筒閘門模型，對不同上游水位、不同開度時水流脈動壓力進行了物理模型試驗。試驗表明，自動滾筒閘門水流脈動壓力過程具有呈正態分布的隨機平穩特性，閘門脈動壓力主頻為軸流泵轉輪葉片頻率，閘體下緣跌坎處旋渦導致水流紊動強度增大而產生0.5Hz低頻脈動壓力，低頻脈動壓力沿閘體迎水面向上游傳遞，振幅逐漸減小。脈動壓力主頻幅值與閘下開度正相關，與上游水深負相關，低頻脈動壓力幅值與閘下開度負相關;過圓筒中心逆時針角度為0°、45°、90°、135°、180°對應的圓筒壁處布設5個測點，水深由28.04cm至34.04cm時其脈動壓力主頻幅值分別減小了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%，閘下開度由0cm增大到5.0cm時脈動壓力主頻幅值增大了139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。

關鍵詞：自動滾筒閘門;脈動壓力特性;模型試驗;多泥沙河道

中圖分類號：TV663⁺.8 文獻標志碼：A

自動滾筒閘門是用于多泥沙河流的新型自動閘門，是在重力及水動力共同作用下自動翻滾實現啟閉的自控閘門。在啟閉過程中，閘門附近流態變化大，流場及閘門受力復雜，在高速水流的紊動作用下，閘門受到脈動水壓力會引起閘體振動，導致閘體失穩或結構破壞，直接影響水工建筑物的穩定及安全，是影響水工建筑物運行的主要荷載，也是自動滾筒閘門研究的重點。關于水流脈動壓力的研究已有較多成果，鑒于高速水流的復雜性，脈動壓力計算難度較大、精度較低，主要通過模型試驗的方法進行研究。關于水工建筑物脈動壓力的研究主要集中在水力消力、消能設施、溢流壩壩體上的脈動壓力方面[1]。WANG Ruwei[2]通過物理模型試驗研究了X形寬口閘門消能墩的時均脈動壓力。HUANG Hu等[3]對平板閘門脈動壓力進行研究認為，隨著水位的上升，脈動壓力頻率減小、閘門底部作用脈動功率減小。辜晉德等[4-5]研究了水躍區底部脈動壓力沿程變化規律，認為水躍區脈動壓力主頻在10Hz以下。張少濟等[6-7]對消力塘透水底板脈動壓力特性進行了試驗研究，認為透水底板上下表面的脈動壓力相位差較不透水底板小。張銘等[8]對高含沙水流脈動特性進行了試驗研究，得到含沙水流脈動壓力能量大部分集中在0.4Hz內。自動滾筒閘門是一種新型閘門，有必要對其受力特性、脈動壓力等進行系統研究，筆者通過模型試驗探討了自動滾筒閘門脈動壓力特性。

1 模型試驗

自動滾筒閘門是根據上游水壓力和閘體配重間相對關系實現自動滾動啟閉的閘門，閘前有泥沙淤積時，仍可實現自動開啟。閘體是垂直于水流方向的橫置圓筒，滾筒下游端設置圓弧面連接直板，水壓力不足時，弧面直板使水位壅高;圓弧段壅高的水位產生附加力矩使閘門翻滾，自動滾筒閘門結構見圖1（a）。閘門啟閉過程中，水流脈動壓力引起的共振關系著閘門的穩定及安全運行。為便于觀測瞬時開度、瞬時水位對應的閘體脈動壓力，本研究將自動滾筒閘門簡化為垂直于水流方向的橫置圓筒，閘體為直徑20.0cm、長47.0cm的PVC圓筒。為實現閘體在鉛垂方向升降，兩側設置閘槽;閘下設置半徑為5.0cm的半圓柱形閘坎，以減小下游水位對閘體的影響，如圖1（b）所示。流速、流量、水壓力分別通過流速儀、電磁流量計和壓力傳感器測定。圖1（c）為模型試驗示意圖，限于模型尺寸，僅在迎水面過圓筒中心逆時針角度分別為0°、45°、90°、135°、180°對應的圓筒壁處布設5個壓力傳感器測點，編號分別為1#、2#、3#、4#和5#，H為上游水深，。為閘下開度，h為筒頂正上方水深。試驗在內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院水工實驗室進行，試驗水循環系統包括地下蓄水池、泵站、平水塔、調節閥、固定水槽。固定水槽由進水段、工作段、退水段組成，根據水工實驗室空間大小，固定水槽尺寸為2000cm×50cm×90cm，材質為有機玻璃，通過角鋼支撐，上游槽底坡降i=0.124%。為使上游水流在近閘體時流態邊界層充分發展，閘體布設在距170.0cm處;為使下游水流不影響閘后流態，在下游退水段距30.0cm處設置長20.0cm的跌坎。瞬時壓力用CYB131壓力傳感器觀測，量程為0～3kPa，用 EaziDAQ軟件記錄數據。

2 脈動壓力特性

在閘門啟閉過程中，水流流態變化復雜，流體在閘體上產生的作用力不均勻，在局部位置產生短時間較大或較集中且有一定周期性的作用力，即脈動壓力，當脈動壓力主頻與自振主頻相同時，可能發生危害較嚴重的共振。用統計分析方法對觀測數據進行處理，通過傅里葉變換計算各測點脈動壓力頻域值。脈動壓力幅值Δp用瞬時壓力與時均壓力差表示。

2.1 同一邊界條件下閘體脈動壓力特性

圖2為開度2.0cm、上游水深32.04cm時水流脈動壓力時域過程線及頻域過程線。由圖2可以看出，各點脈動壓力周期性顯著，但閘體不同位置脈動壓力幅值不同，且變化較大。

圖2（a）為1#點脈動壓力時域過程線，表現為隨機平穩過程特性，其幅值變化區間為0.12～-0.12kPa，脈動壓力幅值較平穩，脈動壓力最大值為時均壓力的128%。1#點位于閘體頂部，上游水深H=32.04cm時閘體頂部淹沒，沿閘體形成繞流，閘體頂端水流紊動強度小，流體流向與壓力傳感器軸線方向垂直，因此該點脈動壓力曲線呈現出正態分布的隨機過程特性。圖2（b）為2#點脈動壓力時域過程線，可見其脈動壓力幅值較1#點降低，變幅紊亂，變化不均勻，脈動壓力最大值為時均壓力的104%。對比圖2（b）～（e）發現，脈動壓力幅值從閘體頂部到閘體底部呈逐漸增大趨勢，幅值變化幅度呈增大趨勢。從1#點到5#點水流紊動強度逐漸增大。由圖2（e）可知，5#點脈動壓力時域過程線幅值變化最大，變化范圍為0.30～-0.30kPa，脈動壓力最大值為時均壓力值的290%，且幅值變化不均勻，原因是5#點位于閘體底部，在高速水流的作用下，下游跌坎處產生旋渦，5#點區域為負壓產生區，該區域水流紊動強度大，因此脈動壓力幅值變化較大。

分析脈動壓力頻譜特性對研究水流的紊動特性有重要意義，通過頻譜分析可得到水流脈動能量在頻域上的分布情況，通過傅里葉變換得到各測點脈動壓力頻域過程線，見圖2（f）。由圖2（f）可以看出，從1#點到5#點脈動壓力頻域逐漸變寬，即水流紊動強度逐漸增大，脈動壓力主頻為49.8Hz，主頻接近軸流泵轉輪葉片頻率。分析原因可能為固定水槽距泵站較近（約20m），軸流泵轉輪葉片頻率傳遞所致，觀測到的脈動壓力主頻為軸流泵主頻。3#、4#、5#點存在0.5Hz的低頻脈動壓力，低頻壓力脈動幅值分別為0.005、0.020、0.030kPa。分析認為下游跌坎處渦旋旋轉導致閘底處水流紊動強度大，產生低頻脈動壓力，因此從3#到5#點低頻脈動壓力幅值逐漸增大，脈動壓力能量頻帶逐漸變寬。1#、2#點低頻脈動壓力不明顯，原因是閘頂水流紊動強度小，閘底脈動壓力主要由低能量、高頻率的渦旋及負壓產生。

2.2 上游水深對脈動壓力特性的影響

水流脈動壓力是流速脈動和時均剪切力共同作用的結果，上游水深決定過閘流速、流量，直接影響閘體脈動壓力。以閘下開度e=2.0cm、上游水深H=28.04、30.02、32.04、34.04cm為例，進行不同上游水深脈動壓力特性試驗研究。不同上游水深下脈動壓力頻域曲線見圖3。

由圖3可以看出，從1#點到5#點脈動壓力能量分布頻域逐漸變寬，即水流紊動強度逐漸增大，同時還可以看出脈動壓力主頻為49.8Hz，主頻幅值與上游水深負相關，主頻幅值隨著上游水位的升高而減小，進一步說明脈動壓力主頻為軸流泵轉輪葉片頻率。由圖3（a）可以看出，1#點脈動壓力主頻為49.8Hz，上游水深由28.04cm增大至34.04cm，主頻幅值由0.11kPa下降到0.098kPa，降低了10.9%，且不存在顯著的低頻脈動壓力，1#點位于閘體正上方，水流紊動強度小。由圖3（b）可知，2#點存在0.5Hz低頻脈動壓力，幅值為0.006kPa，且與上游水深相關性較弱，其主頻仍為49.8Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，主頻幅值由0.006kPa下降到0.005kPa，降低了13.3%。圖3（c）為3#點脈動壓力頻域圖，3#點存在0.5Hz低頻脈動壓力，且幅值較小，頻率及幅值與上游水深相關性較弱。該點脈動壓力能量分布頻域為0～110Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，49.8Hz主頻脈動壓力幅值由0.014kPa下降到0.008kPa，降低了42.9%。由圖3（d）可知，4#點存在0.5Hz低頻脈動壓力，主頻為49.8Hz，主頻幅值隨上游水深增大而降低，上游水深由28.04cm到34.04cm，主頻幅值由0.063kPa下降到0.05kPa，降低了20.6%。由圖3（e）可見，5#點脈動壓力能量分布頻域為0～150Hz，較4#點有所增寬，主頻幅值降低了36.2%;該點0.5Hz低頻脈動壓力幅值為0.04kPa，較1#～4#點幅值增大，低頻脈動壓力由跌坎渦旋及負壓產生。對比各測點脈動壓力頻域圖發現，閘體脈動壓力主頻幅值隨上游水深的增大而減小，49.8Hz主頻近似于軸流泵轉輪葉片頻率，0.5Hz低頻脈動壓力為跌坎處渦旋及負壓導致水流紊動強度增大所致。

2.3 開度對脈動壓力特性的影響

閘下開度直接影響水流流態、流速，因此直接影響脈動壓力。本文以筒頂水深h=5cm，開度e為0、2、4、5cm進行試驗，分析開度對脈動壓力的影響。

圖4為不同開度的脈動壓力頻域曲線。由圖4可知：由閘體迎水面1#點至5#點，脈動壓力能量分布頻域逐漸變寬，紊動強度逐漸增大;脈動壓力主頻為49.8Hz，接近軸流泵轉輪葉片頻率，為軸流泵轉輪葉片頻率傳遞導致;主頻幅值隨開度的增大而增大，開度增大導致水流紊動強度增大，故主頻脈動壓力幅值增大;存在0.5Hz低頻脈動壓力。由圖4（a）可以看出，開度為0、2、4、5cm，頻率為0.5Hz時1#點脈動壓力幅值分別為0.020、0.019、0.029、0.083kPa，隨著開度的增大，渦旋及負壓導致的水流紊動強度增大，因此低頻脈動壓力幅值增大。由圖4（b）可知，2#點主頻為49.8Hz，開度由0cm增大到5cm，其低頻脈動壓力幅值由0.003kPa增大到0.005kPa。由圖4（c）可以看出，開度由0cm增大到5cm，3#點低頻脈動壓力幅值由0.008kPa增大到0.011kPa。由圖4（d）可知，紊動強度隨著開度的增大而增大，開度為0、2、4、5cm時低頻脈動壓力幅值為0.008、0.011、0.037、0.043kPa。由圖4（e）可知，5#點脈動壓力能量分布頻域較寬，為0～150Hz，紊動強度最大。滾筒閘體存在0.5Hz的低頻脈動壓力，開度為0、2、4、5cm時低頻脈動壓力幅值為0.032、0.033、0.034、0.057kPa。

綜上分析可知，滾筒閘體存在主頻為49.8Hz的脈動壓力、次主頻0.5Hz的低頻脈動壓力，迎水面由1#點到5#點脈動壓力能量分布頻域逐漸變寬，紊動強度逐漸增大。脈動壓力主頻接近軸流泵轉輪葉片頻率，這是流道短，軸流泵轉輪葉片頻率傳遞所致。滾筒閘體存在0.5Hz的低頻脈動壓力，幅值隨開度的增大而增大，閘體下緣5#點后設置跌坎，有渦旋產生，5#點所在負壓區紊動強度大，渦旋產生低頻脈動壓力。

3 結語

（1）通過室內模型試驗的方法，對自動滾筒閘門不同上游水位、不同閘門開度條件下水流脈動壓力特性進行了研究，通過脈動壓力時域、頻域分布分析，探討了不同邊界條件下自動滾筒閘門水流脈動壓力特性。試驗結果表明：紊動水流中的滾筒閘門脈動壓力表現為隨機平穩時域過程，各點脈動壓力周期明顯，脈動壓力幅值因位置而異。

（2）滾筒閘門脈動壓力主頻約為軸流泵轉輪葉片頻率，同時存在0.5Hz的低頻脈動壓力，從1#點到5#點脈動壓力能量頻域逐漸增寬，低頻脈動壓力幅值逐漸增大。下游閘坎處渦旋旋轉導致水流紊動強度增大而產生低頻脈動壓力，低頻脈動壓力沿閘體迎水面向上游傳遞，振幅逐漸減小。

（3）上游水深為28.04～34.04cm時，脈動壓力主頻幅值與上游水深負相關，主頻幅值隨著上游水深的增大而減小，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，1#點～5#點脈動壓力主頻幅值分別降低了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%。2#點～5#點存在0.5Hz低頻脈動壓力，低頻脈動壓力幅值與上游水位相關性較弱。

（4）脈動壓力主頻幅值與閘下開度正相關，開度由0cm增大到5.0cm，1#～5#點脈動壓力主頻幅值分別增大139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。跌坎處渦旋導致水流紊動強度增大而產生0.5Hz低頻脈動壓力，低頻脈動壓力幅值隨開度的增大逐漸減小。

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