不同開度下平面鋼閘門流固耦合數值模擬研究

劉竹麗 陳赟 伊元忠

摘 要：為研究閘門流激振動問題，采用雙向流固耦合方法，以ANSYS-Workbench為工具，建立了閘門和流場的有限元模型，將閘門和流場的接觸面設置為流固耦合接觸面，進行流場和結構場間數據的雙向交換，對不同開度下閘門流激振動情況進行了數值模擬，得到了閘門不同開度下的位移、應力情況。結果表明：閘門振動位移及應力隨閘門開度的增大而逐漸減小。

關鍵詞：平面閘門;流激振動;流固耦合;數值模擬

中圖分類號：TV663+.4 ? 文獻標志碼：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

閘門是水利樞紐工程的重要組成部分，保證閘門正常運行對水利工程至關重要。閘門在動水作用下易發生振動，劇烈振動會影響閘門的安全運行，甚至導致閘門破壞，給人民的生命財產安全帶來巨大威脅，閘門的流激振動問題日漸受到重視。目前研究閘門振動問題的主要方法有原型觀測法[1]、模型試驗法[2-3]、數值分析法[4-6]。古華等[7]得到了流體對閘門振動特性的影響規律及流固耦合計算時液相長度的合理取值范圍。胡劍杰等[8]研究了影響水流作用下弧面三角閘門自振特性的因素，得到了閘門干模態以及在不同門前水體寬度和高度下的濕模態。薛惠芳[9]研究了流固耦合對閘門結構動態特性的影響，分析了平面閘門在無水和有水狀態下的振動特性。目前，閘門振動特性方面的研究較多，但關于流激振動下閘門的應力及位移情況的研究較少。

本文基于ANSYS Workbench，通過流固耦合方法對閘門不同開度下的流激振動情況及開度對閘門振動位移和應力的影響進行仿真分析，以期為閘門設計及閘門的流激振動仿真分析提供參考。

1 流固耦合理論基礎

1.1 結構動力學方程

1.3 流固耦合理論

流固耦合的求解過程較為復雜，需要通過流固耦合交界面進行數據交換，實現流場與結構場的耦合模擬[10]。計算時，單獨建立流場和結構場的控制方程，在一個時間步中分別求解，流場計算結果通過耦合面傳遞給結構場，結構場計算結果通過耦合面傳遞給流場。雙向流固耦合分別對流場和結構場進行求解，既可利用相互獨立的兩個領域內各自算法的優勢，計算簡便，精度提高，又通過耦合面實現了不同計算域間的數據傳遞，考慮了流場和結構場間的相互影響，計算結果準確，符合工程實際。流場與結構場間數據交換類型見表1。

2 模型描述

2.1 閘門模型

某水利樞紐泄洪閘事故檢修閘門為潛孔式平面鋼閘門，孔口尺寸為8.0 m×10.0 m（寬×高），閘底高程為1 750 m，正常蓄水位為1 820 m。平面閘門為焊接結構，閘門門葉布置10道主梁、8道縱梁及4道邊梁，主輪布置在內外邊梁之間。閘門材料為Q345C，材料屬性見表2。

為避免外部軟件所建模型導入ANSYS時因接口問題而造成扭曲、多面、丟面的現象，本文直接在ANSYS Workbench的DM模塊中建立閘門實體模型，而后抽取模型的中面，并根據實際情況進行適當修補，生成閘門面模型。根據閘門結構特點，選取SHELL 181單元[11]對閘門中面模型進行網格劃分，得到閘門有限元模型。SHELL 181單元為殼體單元，適合分析中等厚度的板殼結構，具有大變形、大扭轉的功能。該單元有4個節點，每個節點有6個自由度。平面閘門有限元模型共有78 107個節點、80 422個單元。閘門跨度方向為x向，閘門高度方向為y向，上游至下游的流向方向為z向，閘門兩側受到跨度方向和水流方向約束，閘門頂部受到豎直方向約束。

2.2 流場模型

在建立平面閘門模型的基礎上，在ANSYS Workbench中建立流場模型。上游庫區長度為5倍的流道進口高度，為節省計算資源，庫區只建立下半部分，流道長160 m，見圖1。流場模型建立完成后，通過ICEM對模型進行結構化網格劃分。庫區左側和庫區頂部為壓力入口：庫區左側為靜壓分布，具體壓力值通過UDF命令設置;庫區頂部設置為受30 m水深壓力。流道出口為大氣壓力出口。

2.3 流固耦合接觸設置

將閘門與水流接觸面以及水流與閘門接觸面分別在結構場計算和流場計算中設置為流固耦合面，并在System Coupling中對這對流固耦合面設置數據交換。流場向結構場傳遞力，結構場向流場傳遞位移。計算時長為2 s。

3 閘門計算結果分析

對相對開度為0.1～0.8的閘門流激振動進行模擬，以閘門相對開度為0.2的工況為例，分析流激振動作用下閘門的位移及應力分布情況。

3.1 流激振動下閘門振動位移

圖2為閘門相對開度為0.2時的位移云圖，閘門在流激振動作用下最大位移出現在閘門面板跨度方向中軸線處，圖中Max位置。位移由閘門面板中部向左右兩側逐漸減小，且沿閘門面板中軸線對稱，位移由閘門中部向上部也逐漸減小，位移分布層次明顯。閘門變形發生在跨度方向中軸線附近，形式為彎曲。圖3為閘門最大位移剖面，由圖3可知，面板壁薄且受力面較大，沿順水流方向凹陷明顯。閘門位移在初始階段于3.407～4.768 mm范圍內波動，計算0.4 s后穩定在4.07 mm左右。

3.2 流激振動下閘門振動應力

相對開度為0.2時，閘門在流激振動作用下的應力分布見圖4。由圖4可知，最大應力出現在閘門主梁、縱梁與面板接觸位置，其余部位應力相對較小，應力分布基本沿閘門面板跨度方向的中軸線對稱。閘門應力在初始階段于158.8～185.8 MPa范圍內波動，并在計算0.35 s后穩定在172 MPa左右。

3.3 開度對閘門位移和應力的影響

（1）位移情況。隨著閘門開度的增大，最大位移點逐漸向閘門面板下方移動。本文采用隨機統計學方法分析動位移，用位移均值+3倍均方差來估算各開度下的最大位移，閘門最大位移隨開度變化曲線見圖5。由圖5可知，閘門最大位移出現在相對開度為0.1時，為4.608 mm，閘門最大位移隨開度的增大逐漸減小，但相對開度為0.4時的最大位移僅次于相對開度為0.1時的，比相對開度為0.2、0.3時都要大。圖5 閘門最大位移隨相對開度變化曲線

相對開度為0.1～0.8時閘門位移隨時間變化曲線見圖6，閘門位移波動范圍隨閘門開度的增大而減小，且達到穩定后的位移也隨開度的增大而減小。在相對開度為0.4時，位移初始波動幅度比相對開度為0.2、0.3時大，且閘門位移一直處于波動的狀態。因此，延長相對開度0.4時的計算時間至5 s。由圖7可看出，閘門開度為0.4時，位移后期在3.90～4.25 mm范圍波動，直至計算5 s仍處于波動狀態，估算得到此工況下最大位移為4.429 mm。

圖8為相對開度為0.2時主梁8在流激振動下的位移云圖，最大位移出現在主梁跨中部位，兩側位移較小，位移由中部向兩側逐漸減小，且位移基本沿閘門面板中軸線對稱分布，位移朝向下游方向。

各個主梁在各開度下的最大位移均出現在跨中處，圖9為主梁1～10在不同開度時的最大位移曲線。由圖9可知，主梁1～5的最大位移都隨閘門開度的增大而逐漸減小，而主梁6～10在相對開度為0.4時的最大位移相比相對開度為0.3時明顯增大，開度大于0.4后，主梁最大位移隨開度的增大逐漸減小。可知，相對開度為0.4時閘門的位移情況相對較復雜。

圖10為各開度下主梁最大位移變化曲線。由圖10可知，相對開度為0.1時，主梁位移最大。在相對開度為0.5～0.8時，主梁最大位移隨著主梁編號的增大而逐漸增大，開度越小，主梁位移越大。在相對開度為0.1～0.3時，主梁位移隨主梁編號的增大而增大，在主梁編號為8時出現小幅下降。相對開度為0.4時，主梁位移增大較快，主梁7～10的最大位移接近于相對開度為0.1時的。

（2）應力情況。同樣采用隨機統計學方法分析動應力，用應力均值+3倍均方差來估算各開度下的最大應力，閘門最大應力隨開度變化曲線見圖11。閘門最大應力出現在相對開度為0.3時，為185 MPa。閘門最大應力隨開度的增大而逐漸減小，這是因為隨著閘門開度的增大，閘門與水體直接接觸面積減小，閘門垂直受力面積變小，閘門所受的水體作用也在減小，所以受力也逐漸減小。

閘門相對開度為0.1～0.8時應力隨時間變化曲線見圖12。由圖12可知，閘門應力的波動幅度隨開度的增大而減小，且波動一般只出現在初始階段，后期逐漸達到穩定。但在相對開度為0.4時，閘門應力一直處于波動的狀態，其最大值也比相對開度為0.5時大。因此，延長相對開度為0.4時的計算時間至5 s，由圖13可看出，閘門開度為0.4時，應力在153～171 MPa間波動，直至計算5 s仍處于波動狀態，估算得到此工況下的最大應力為174.32 MPa。結合圖7分析，相對開度為0.4時位移、應力均處于波動狀態，此工況是較危險工況，在閉門時應盡量快速通過此開度，避免較長時間停留。

圖14為主梁1～10在不同開度時后翼緣跨中處應力變化曲線。由圖14可知，主梁1～5的應力皆隨閘門開度的增大而減小，而主梁6～10在相對開度為0.4時的最大應力比相對開度為0.3時明顯增大，開度大于0.4后，主梁6～8應力隨開度增大逐漸減小，主梁9、10在相對開度為0.6時最大應力與相對開度為0.5時基本持平，之后應力隨開度增大逐漸減小。

圖15為各開度下主梁跨中處應力變化曲線。由圖15可知，在相對開度為0.6～0.8時，主梁應力隨著主梁編號的增大而逐漸增大，且開度越大，主梁應力越小。在相對開度為0.4～0.5時，主梁應力隨編號增大而逐漸增大，到主梁9時出現小幅下降。在相對開度為0.1～0.4時主梁5、主梁8應力比周圍主梁大，原因是主梁5和主梁8無前翼緣，容易產生較大應力。相對開度為0.4時，主梁應力增大較快，主梁6～10的最大應力接近甚至超過了相對開度為0.1時的應力。

4 結 論

通過流固耦合方法對閘門流激振動進行模擬，分別對不同開度下的流激振動情況進行研究，發現閘門在流激振動作用下的位移和應力與閘門開度存在一定關系，得到如下結論：

（1）各開度下最大位移都出現在閘門面板跨度方向的中軸線位置，且位移由閘門面板中部向左右兩側逐漸減小，位移沿閘門面板中軸線基本呈對稱狀態。面板壁薄且受力面大，沿水流方向會出現明顯凹陷。閘門最大位移隨著閘門開度的增大而逐漸減小，且出現最大位移的位置隨著閘門開度的增大逐漸向閘門下部移動。

（2）各開度下閘門最大應力均出現在閘門主梁、縱梁與面板接觸的位置，應力基本沿閘門面板中軸線對稱。隨著閘門開度的增大，閘門垂直受力面積逐漸減小，最大應力也逐漸減小。

（3）閘門最大位移為4.608 mm，與計算跨度的比值為1/1 953，遠小于規范[12]規定的允許值（1/750）;最大應力為185 MPa，在允許范圍內，閘門強度、剛度滿足要求，能夠安全運行。

參考文獻：

[1] 王桂青.陡河水庫輸水洞工作閘門振動觀測分析[J].海河水利，2016（1）：48-50.

[2] 孔繁臣，王永潭，張喜峰，等.豐滿水電站重建工程潛孔弧形閘門流激振動模型試驗研究[J].水利水電技術，2016，47（6）：76-79.

[3] 吳杰芳，張林讓，陳敏中，等.三峽大壩導流底孔閘門流激振動水彈性模型試驗研究[J].長江科學院院報，2001，18（5）：76-79.

[4] 劉權，張燎軍，關超年.高水頭平面閘門流激振動的數值模擬[J].水電能源科學，2014，32（1）：176-179，190.

[5] 潘樹軍，王新.大型平面鋼閘門流激振動模型試驗與數值模擬[J].水電能源科學，2011，29（8）：148-151.

[6] 鮑秋慧，胡兆榮，孫蓬勃.升臥式臥倒閘門的自振特性[J].人民黃河，2013，35（2）：114-115，119.

[7] 古華，嚴根華.水工閘門流固耦合自振特性數值分析[J].振動、測試與診斷，2008，28（3）：242-246.

[8] 胡劍杰，胡友安，王煦.基于ANSYS的弧面三角閘門自振特性研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2014，36（6）：24-27.

[9] 薛惠芳.基于ANSYS的平面閘門流固耦合振動特性的有限元分析[J].安徽農業科學，2012，40（8）：5007-5009.

[10] HSU M C，BAZILEVS Y. Fluid-Structure Interaction Modeling of Wind Turbines： Simulating the Full Machine[J]. Computational Mechanics， 2012， 50（6）： 821-833.

[11] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：11.

[12] 中華人民共和國水利部.水利水電工程鋼閘門設計規范：SL74—2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013：28.

【責任編輯 張華巖】