基于流固耦合的立軸旋轉鋼閘門的應力應變分析

袁 堯， 李忠斌， 許旭東， 沈強儒， 楊 帆

(1.江蘇省水利科學研究院， 江蘇 南京 210017； 2.揚州大學， 江蘇 揚州 225127；3.南通大學， 江蘇 南通 226019)

立軸旋轉鋼閘門起開啟和關閉孔口，調節上下游水位和流量的作用。立軸旋轉鋼閘門多用于中小型排水、防汛、灌溉等水利水電工程中，相較于傳統鋼閘門有著獨特的優勢，具有造價比較低、無上部土建設施、安裝非常方便、后期檢修維護便利等特點。立軸旋轉鋼閘門的閘板對稱于軸心，所以開關時無需擔心水的阻力，通過對開展立軸旋轉鋼閘門各工況下的應力應變的數值及分布影響的計算分析，可進一步減小立軸旋轉鋼閘門的材料用量，節省工程投資。萬宇飛等[1]基于ANSYS Workbench平臺的Fluent流體分析模塊及Static Structural固體結構分析模塊，針對露頂式平面鋼閘門自由出流下水動力特性及閘門動態響應進行研究。陳揚[2]通過理論分析與有限元數值模擬的方法，對比分析閘門不同開度下的振動特性。黃勇等[3]研究了閘下淹沒出流、考慮水體與弧門耦合作用時，弧形閘門的不同開度對流場的瞬態流速、近壁水體動壓力的變化規律。本文采用單向流固耦合方法，計算和分析了不同工況時立軸旋轉鋼閘門的應力應變特征，可為立軸旋轉鋼閘門的實際運用提供參考。

1 流場計算模型

1.1 固體模型和網格劃分

立軸旋轉鋼閘門的長寬比為1∶1，厚度是寬度的1/10。利用三維建模軟件對立軸旋轉鋼閘門進行三維建模，立軸旋轉鋼閘門的三維模型如圖1，對立軸旋轉鋼閘門的固體計算對象進行非結構化網格劃分，立軸旋轉鋼閘門的網格單元數為66 468個，立軸旋轉鋼閘門的結構網格如圖2。

圖1 立軸旋轉鋼閘門三維模型

圖2 立軸旋轉鋼閘門的結構網格

1.2 流體域和網格劃分

利用三維建模軟件對流體域進行三維造型，流場三維模型如圖3(a)，采用混合網格劃分的方式對流場進行網格劃分，網格單元數為3 714 349個，流場的網格劃分結果如圖3(b)，立軸旋轉鋼閘門的壁面處邊界層網格如圖3(c)[4-10]。

圖3 立軸旋轉鋼閘門流場計算模型及網格

1.3 邊界條件

對立軸旋轉鋼閘門的流場進行三維定常的流場數值模擬，選用標準k-ε湍流模型封閉流動控制方程。考慮到渠道內流動的實際情況，流場上自由液面設置為對稱邊界條件；進水斷面設置為進口邊界條件，給定入口流量為660 L/s；出水斷面設置為自由出流邊界條件，設置相對壓力為1 atm；其余面都設置為壁面條件，收斂殘差設置為10-4。

鋼閘門材料Q235鋼，其材料參數為：彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7 850 kg/m3。立軸旋轉鋼閘門固體邊界條件分為載荷和約束，其中載荷有自身重力帶來重力加速度引起的慣性荷載、流體的壓力作用于閘門結構的流固耦合面上產生的結構荷載[11-13]；約束包括下支承座(只約束徑向和切向，允許軸向上的移動)與聯軸器端面(約束該面上的所有移動)。

根據工程實際運行情況，選取3種工況對立軸旋轉鋼閘門進行流固耦合數值模擬，工況參數如表1所示。

表1 各個模擬工況參數

2 計算結果與分析

2.1 立軸旋轉鋼閘門的應力分布

不同工況時立軸旋轉鋼閘門的應力云圖如圖4所示。3個工況時立軸旋轉鋼閘門表面應力分布相對均勻，相對集中應力發生在下支撐處和聯軸器端面附近，最大應力均發生在聯軸器端面；工況1時，立軸旋轉鋼閘門的最大應力為20.06 MPa，工況2時，立軸旋轉鋼閘門的最大應力為16.6 MPa，工況3時，立軸旋轉鋼閘門的最大應力為11.4 MPa。工況2時，立軸旋轉鋼閘門上下游均有水，立軸旋轉鋼閘門的兩面承受的靜水壓力互相抵消了部分，則應力比工況1時小；工況3為立軸旋轉鋼閘門全開時，立軸旋轉鋼閘門表面主要受到水流荷載沖擊，因此應力比工況2時小，工況1為應力分布最不利的工況。

圖4 不同工況下立軸旋轉鋼閘門的應力云圖

2.2 立軸旋轉鋼閘門的應變分布

圖5為不同工況時立軸旋轉鋼閘門的應變云圖。工況1和工況2時，立軸旋轉鋼閘門處于關閉狀態，應變分布規律一致，靜水壓力對閘門的影響為主要因素，立軸旋轉鋼閘門的最大變形發生在閘門中間位置，變形量由中間向四周逐漸減小。立軸旋轉鋼閘門在工況1時，最大變形量為0.076 mm，在工況2時最大變形量為0.0549 mm；在工況3時，立軸旋轉鋼閘門的自重和水流動的沖擊荷載占主要影響，立軸旋轉鋼閘門的最大變形發生在閘門的兩側，最大變形量為0.0172 mm。工況1為立軸旋轉鋼閘門運行時應變分布最不利的工況。

圖5 不同工況下立軸旋轉鋼閘門的應變云圖

圖6為不同工況時立軸旋轉鋼閘門的最大應力和最大應變曲線，工況1時立軸旋轉鋼閘門產生了較大的應力集中與應變，最大應力值為工況3時立軸旋轉鋼閘門最大應力值的1.75倍，且工況1時最大變形量為工況3時立軸旋轉鋼閘門的4.4倍。各工況時較大的應力集中區均發生在立軸旋轉鋼閘門的下支撐處和聯軸器端面，最大應力值均小于材料的屈服強度，從節省工程投資的角度，可選用強度略低的材質。

圖6 各工況時立軸旋轉鋼閘門的應力應變變化曲線

3 結 論

(1)在各計算工況下，立軸旋轉鋼閘門表面應力分布相對均勻，應力集中在閘門下支撐處和聯軸器端面；在上游水深1.0 m，下游無水時，相對集中應力最大。

(2)在立軸旋轉鋼閘門關閉時，最大變形發生在立軸旋轉鋼閘門中間區域，且從立軸旋轉鋼閘門中間區域向閘門邊緣處變形量逐漸減小；在立軸旋轉鋼閘門開啟時，立軸旋轉鋼閘門兩側受到水流的沖擊而產生最大變形。

(3)通過對立軸旋轉鋼閘門的多工況流固耦合分析，不同工況時立軸旋轉鋼閘門的變形量、應力值的分布情況均不同，但相對較小，立軸旋轉鋼閘門的最大等效應力都低于材料的屈服強度，立軸旋轉鋼閘門結構設計滿足強度要求，在滿足規范和強度要求的條件下，可選用強度更低的材料，以節省閘門造價。