基于某水利工程平面鋼閘門振動(dòng)機(jī)理試驗(yàn)研究

林立旗 張懷仁 洪偉 耿紅磊

摘? 要：閘門振動(dòng)易引發(fā)自身結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，在某種條件下甚至?xí)T發(fā)閘門失穩(wěn)。誘發(fā)閘門振動(dòng)的機(jī)理非常復(fù)雜，特殊條件下甚至造成閘門失穩(wěn)，本文基于某水利工程平面閘門的動(dòng)力特性、振動(dòng)響應(yīng)、脈動(dòng)頻率等相關(guān)振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試，結(jié)合其流固耦合分析情況，探討該平面鋼閘門振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，提出相應(yīng)的減震解決方案，為后續(xù)工程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：平面鋼閘門? 測(cè)試? 自振激勵(lì)? 振動(dòng)機(jī)理

中圖分類號(hào)：TV312;TV663.4? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0024-06

Experimental study on the vibration mechanism of plain gate in hydrographic engineering

Lin Liqi1? Zhang Huairen1*? Hong Wei2? Geng Honglei1

（1.National Center of Quailty Inspection and Testing for Hydro Steel Structure The Ministry of Water Resources P.R.China， zhengzhou， Henan Province 450044? China; 2.Bureau of Comprehensive Development

Ministry of Water Resources， Beijing， 100053? China）

Abstract： Gate vibration is easy to cause fatigue damage of its own structure， and even induce gate instability under certain conditions. The mechanism of inducing gate vibration is very complex， and even causes gate instability under special conditions. Based on the test of relevant vibration parameters such as dynamic characteristics， vibration response and pulsation frequency of plane gate of a hydraulic project， combined with its fluid structure coupling analysis， this paper discusses the mechanism of plane steel gate vibration and puts forward corresponding damping solutions， Provide reference for follow-up project construction.

Key Words： Plane gate; Test; Natural vibration excitation; Vibration mechanism

閘門振動(dòng)是一種特殊的水力學(xué)問題，涉及水流條件、閘門結(jié)構(gòu)及其相互作用，屬流體誘發(fā)振動(dòng)[1]。根據(jù)對(duì)平面閘門事故原因分析，平面閘門破壞多發(fā)生在閘門的啟閉過程，往往伴隨著劇烈的振動(dòng)，且容易誘發(fā)共振[2-3]，閘門振動(dòng)易引發(fā)自身結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，在某種條件下甚至?xí)T發(fā)閘門失穩(wěn)。

導(dǎo)致閘門振動(dòng)的機(jī)理非常復(fù)雜，至今沒有一個(gè)比較成熟的理論研究加以解決。但總體而言，閘門振動(dòng)是因?yàn)榱黧w與閘門結(jié)構(gòu)的相互作用，其誘發(fā)原因分為受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)[4-5]，因此，開展閘門振動(dòng)機(jī)理研究，通過對(duì)閘門振動(dòng)故障的診斷與分析，找出不利于閘門運(yùn)行的工作狀況、提出預(yù)防閘門振動(dòng)的措施，對(duì)防止閘門因振動(dòng)失穩(wěn)具有重要的意義。

某水利工程在日常運(yùn)行管理中發(fā)現(xiàn)，在存在某個(gè)特定上下游水位差且閘門小開度運(yùn)行時(shí)，閘門門體存在明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，具體情況為：（1）上游水位在14.20～14.98m，下游水位在12.10～13.30m的情況下，閘門開度約15～80cm時(shí)，存在振動(dòng)現(xiàn)象且上游水面有振動(dòng)波紋。（2）當(dāng)上游水位在14.00～14.20m，下游水位在11.40～11.80m的情況下，閘門開度約15～40cm時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)烈且上游水面出現(xiàn)振動(dòng)波紋。

為找出該閘門異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因，本文通過對(duì)該平面閘門的動(dòng)力特性、振動(dòng)響應(yīng)、脈動(dòng)頻率等相關(guān)振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試研究，結(jié)合流固耦合有限元分析情況，分析該閘門異常振動(dòng)的機(jī)理，并提出相應(yīng)的減震解決方案。

1? 振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

1.1 動(dòng)力特性測(cè)試

通過對(duì)閘門提出孔口及閘門全部在門槽內(nèi)不同工況下，采用隨機(jī)激勵(lì)方式對(duì)該閘門進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試（振型如圖1、圖2所示），其結(jié)果為該閘門1階固有頻率分布在32.2～34.2Hz之間，2階固有頻率分布在70.3～73.2Hz之間。

1.2 振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試成果與分析

在閘門上游水位為14.50m，下游水位為12.27m的情況下，閘門由全開狀態(tài)運(yùn)行至全關(guān)測(cè)試結(jié)果分析如下：（1）閉門過程中各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)相似，均未出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng);（2）閉門時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間極短，振動(dòng)幅值較大;（3）閉門過程中最大振動(dòng)加速度為2.2m/s?，所有測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度對(duì)應(yīng)頻率集中分布在30.3～39.1Hz之間。

在閘門上游水位為14.50m，下游水位為12.27m的情況下，閘門由全關(guān)狀態(tài)運(yùn)行至全開測(cè)試結(jié)果分析如下：（1）啟閉過程中閘門上各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)相似，在200mm開度時(shí)振動(dòng)幅值達(dá)到最大，持住時(shí)閘門出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)（振動(dòng)加速度曲線和頻譜如圖3所示）;（2）閘門啟門至200mm位置過程中最大振動(dòng)加速度為50.0m/s?;（3）閘門在200～600mm開度運(yùn)行及持住過程中，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值較大，閘門出現(xiàn)間歇性強(qiáng)烈振動(dòng);（4）閘門在700mm以上開度運(yùn)行中，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值較小，閘門未出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)。

1.3 脈動(dòng)頻率測(cè)試成果

在閘門啟門和閉門過程中，該閘門上所有測(cè)點(diǎn)水下脈動(dòng)壓力趨勢(shì)大致相同，振動(dòng)幅值隨著開度增大先增大后減小，最大脈動(dòng)壓力振動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)頻率集中分布在23.4～35.2Hz之間（水下脈動(dòng)壓力曲線和頻譜如圖4所示），接近閘門1階固有頻率，各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力能量主要集中在低頻部分。

2? 流固耦合分析

在閘門運(yùn)行過程中必然存在水流和閘門的相互作用，水流作用于閘門引起閘門的振動(dòng)，反過來(lái)閘門的振動(dòng)又影響了周圍流場(chǎng)的分布，把這種現(xiàn)象稱為流激振動(dòng)。閘門流激振動(dòng)是一種激起極其復(fù)雜的流體與結(jié)構(gòu)相互作用現(xiàn)象，屬于典型的流固耦合（Fluid solid Interaction FsI）現(xiàn)象[6-8]。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的交互作用，固體在流體動(dòng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，而固體的變形或運(yùn)動(dòng)又反過來(lái)影響流場(chǎng)，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用，將在不同條件下產(chǎn)生各種不同的流固耦合現(xiàn)象。

2.1 流固耦合有限元分析過程

為保證計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，流體計(jì)算部分采用2D平面模型計(jì)算，固體計(jì)算部分采用三維整體閘門模型諧響應(yīng)分析，采用System Coupling進(jìn)行耦合。具體分析方法如下：采用ANSYS Fluent模塊，求解出閘門在設(shè)計(jì)水頭、600mm開度、背部水深1.4m工況下，水流作用在閘門面板后方上的流場(chǎng)壓強(qiáng);利用ANSYS模態(tài)分析模塊，計(jì)算閘門的前3階固有頻率;利用ANSYS諧響應(yīng)分析模塊，通過模態(tài)疊加法，將包含正弦頻率的流場(chǎng)壓強(qiáng)施加在面板上，并設(shè)置流場(chǎng)壓強(qiáng)的頻率范圍，進(jìn)而求解出閘門在哪種頻率下出現(xiàn)最大的振動(dòng)。

2.2? 流體計(jì)算

采用ANSYS Fluent模塊，流體模型采用系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)水流模型，粘性方程采用k-epsilon模型，參數(shù)默認(rèn)，進(jìn)口流速為1m/s，出口壓力為0（系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出口流速），迭代次數(shù)及殘差默認(rèn)設(shè)置，計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8。

采用流固耦合方法，利用Fluent計(jì)算閘門在最高設(shè)計(jì)水頭，閘門開度0.6m下門葉底緣前后方水流壓力及流速。由圖5～8可以得出，水流流過閘門底緣后，在門葉底緣上方一定距離產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，從而對(duì)閘門背水面底部形成負(fù)壓，該負(fù)壓因水流渦流作用下形成脈動(dòng)壓力。負(fù)壓數(shù)值為-3.731kPa。

2.3 閘門三維諧響應(yīng)計(jì)算

諧響應(yīng)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元分析的一種手段，目的在于計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率的曲線，從而使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動(dòng)力特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能克服共振、疲勞以及其他受迫振動(dòng)引起的有害效果[9-11]。

諧響應(yīng)掃頻分析中，脈動(dòng)壓力為-0.007MPa，作用在閘門底緣后部面板上，根據(jù)閘門前兩階自振頻率及振型，設(shè)定掃描頻率區(qū)間為10～60Hz，采樣區(qū)間120段（諧響應(yīng)掃頻分析的結(jié)果見圖9）。

從頻域圖中可以看到，從20～30Hz區(qū)間內(nèi)，閘門底部振動(dòng)振幅逐步加大，當(dāng)閘門底部脈動(dòng)壓力的頻率為31Hz左右時(shí)，閘門底緣將出現(xiàn)最大振幅（其脈動(dòng)壓力頻率和振幅值為理論計(jì)算值，不完全代表實(shí)際值），同閘門自振頻率即固有頻率較為接近。閘門在該工況下出現(xiàn)共振。從計(jì)算結(jié)果中可以得出結(jié)論：閘門在200～600mm開度區(qū)間時(shí)，由于下游水位較高，水流泄流不暢，在閘門背后產(chǎn)生紊流，該紊流脈動(dòng)沖擊壓力的頻率同閘門自身固有頻率耦合，從而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致閘門發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

采用模態(tài)分析法分析閘門前兩階自振頻率，可以看出，在水流脈動(dòng)激勵(lì)下下閘門表現(xiàn)為底部底緣部分前后擺動(dòng)，因此可以推斷出，若水流脈動(dòng)頻率達(dá)到1階固有頻率附近時(shí)，閘門底部將首先出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，振動(dòng)形式為底緣中部前后擺動(dòng)，最終使閘門整體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，最后以致達(dá)到共振。

3? 閘門振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)

對(duì)于閘門振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)與分析，國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件。本項(xiàng)目閘門振動(dòng)強(qiáng)烈程度參照采用美國(guó)阿肯色河通航樞紐中提出的以振動(dòng)位移均方根值來(lái)劃分水工鋼閘門振動(dòng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，通過各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度最大值和此時(shí)刻該測(cè)點(diǎn)頻率值計(jì)算振動(dòng)位移，振動(dòng)強(qiáng)烈程度如表1所示。

水工金屬結(jié)構(gòu)的振動(dòng)評(píng)價(jià)與分析，國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件。借鑒機(jī)械系統(tǒng)共振判斷方法，本項(xiàng)目基于振動(dòng)時(shí)程響應(yīng)包絡(luò)線方法判斷閘門是否達(dá)到共振。由該閘門各個(gè)工況下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)烈度可知，在水流激勵(lì)的作用下，某些開度（時(shí)間）其振幅不斷增大且持續(xù)一段時(shí)間，在達(dá)到最大振幅后迅速衰減，然后不斷重復(fù)類似過程，因此，該閘門已發(fā)生間歇性強(qiáng)烈受迫振動(dòng)。

4? 振動(dòng)機(jī)理分析

通過對(duì)該閘門進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試、振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試、脈動(dòng)壓力測(cè)試、流固耦合分析，結(jié)果表明，閘門在啟門過程中，當(dāng)該閘門處于某一特定開度下（200～600mm開度），閘門整體出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的情況且上游水面出現(xiàn)振動(dòng)波紋，最大振動(dòng)加速度為51.4m/s?，對(duì)應(yīng)頻率為40.3Hz，最大振動(dòng)位移為0.7mm。振動(dòng)響應(yīng)最大時(shí)的頻率和水流脈動(dòng)壓力最大的頻率都接近閘門1階固有頻率，閘門在啟門和持住過程中振動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于閉門過程;超過該開度下閘門振動(dòng)逐漸減小，且閘門下游水位對(duì)振動(dòng)的劇烈程度有密切相關(guān)的影響。

根據(jù)該閘門振動(dòng)參數(shù)測(cè)試成果，結(jié)合該閘門實(shí)際振動(dòng)狀況及流固耦合計(jì)算可知，當(dāng)閘門在200～600mm開度區(qū)間時(shí)，水流流過閘門底緣，由于下游水位較高水流泄流不暢，在閘門背后產(chǎn)生淹沒水躍，該淹沒水躍周期性沖擊壓力的頻率同閘門自身固有頻率耦合，從而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致閘門發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。當(dāng)閘門開度繼續(xù)加大，水流下泄順暢，淹沒水躍減弱，閘門振動(dòng)減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是流體（水流）對(duì)固體（閘門）的雙向耦合作用產(chǎn)生的渦致振動(dòng)，這種自激振動(dòng)在閘門小開度運(yùn)行且上下游水位差特定的情況下易發(fā)生。

5? 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果、流固耦合分析及對(duì)閘門振動(dòng)機(jī)理的研究，該平面鋼閘門小開度運(yùn)行且上下游水位差特定的情況下，振動(dòng)響應(yīng)最大頻率和水流脈動(dòng)壓力頻最大的頻率已接近閘門1階固有頻率且有強(qiáng)烈受迫振動(dòng)現(xiàn)象，此區(qū)域?yàn)殚l門無(wú)法避開運(yùn)行區(qū)域，具備發(fā)生共振的必要條件，嚴(yán)重影響著工程的安全運(yùn)行。

5.2 建議

（1）管理部門應(yīng)制定合理運(yùn)行規(guī)程，對(duì)閘門進(jìn)行合理調(diào)度運(yùn)行，避免閘門在振動(dòng)強(qiáng)烈開度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間持住或啟閉運(yùn)行。

（2）對(duì)閘門采用加固手段，加大閘門剛度，提高閘門結(jié)構(gòu)的固有頻率。

（3）優(yōu)化閘門過流方式、止水型式、支承型式，改善閘門的過流狀態(tài)，通過增加導(dǎo)流板等措施減小水流擾流脈動(dòng)壓力產(chǎn)生的頻率。

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