露頂式弧形閘門流固耦合數值模擬正反分析

摘 要：針對表孔局開泄洪誘發露頂式弧形閘門流激振動問題，借助計算流體力學（ＣＦＤ） 軟件Ｆｌｕｅｎｔ 和計算結構動力學（ＣＳＤ） 軟件Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＡＰＤＬ 構建閘門與泄洪水流的流固耦合傳遞數學模型，計算并分析閘門在泄流時的振動特性，基于模態疊加法原理編制閘門流激振動反分析程序，實現對閘門流激振動的動力響應結果的反分析。以烏江某工程露頂式弧形閘門為例進行正反分析，結果表明：采用大渦模擬（ＬＥＳ）的紊流模型得出閘門面板的脈動壓強具有低頻、窄帶的特性，基本符合正態分布；利用模態坐標和振型向量、應力向量合成計算閘門的結構動力場，反分析得出的動位移場、動應力場與采用完全法正分析得出的結果基本一致，驗證了反分析方法的合理性和程序的適用性。

關鍵詞：弧形閘門；流固耦合；模態疊加法；動位移；反分析

中圖分類號：ＴＶ６６３＋ ．２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０２４

引用格式：盧洋亮，傅學敏，劉亞坤，等．露頂式弧形閘門流固耦合數值模擬正反分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（８）：１３７－１４２，１４８．

０ 引言

高壩泄流工程中水工鋼閘門作為泄水建筑物的控制設備，其安全運行關系到整個水利樞紐和周邊居民生命及財產安全。弧形閘門以其優越的水力特性和啟閉靈活等優點，廣泛運用于溢洪道和泄洪洞中。然而，在實際運行中往往因水流不穩定而造成閘門面板承受不良水流激勵荷載，誘發弧形閘門流激振動問題，甚至引起支臂失穩破壞［１］ 。目前對弧形閘門流激振動問題的研究方法主要有原型觀測、水彈性試驗和數值模擬［２］ ，其中：原型觀測法可獲得閘門運行的實際振動數據，實測結果最為真實，但該方法須在閘門建成后方可實施；水彈性試驗方法可較好反映水體－閘門耦合水動力特性，然而，對于水彈性材料需要重點修正其阻尼比和泊松比以滿足相似準則，建模成本高、試驗周期長；隨著計算機性能的迅猛提升，數值模擬方法逐漸引起重視并實現運用，該方法可單獨借助ＣＦＤ 實現對泄洪水流的三維流場分析，還可對閘門結構進行有限元（ＦＥＭ）計算，對水體－閘門流固耦合的動力響應進行分析［３］ 。

在閘門流固耦合數值模擬分析方面， 唐克東等［４］ 、張聰等［５］ 基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 平臺實現弧形閘門的單向流固耦合分析，通過Ｆｌｕｅｎｔ 軟件計算閘門局開泄洪水流作用在閘門面板的動水壓力，并借助Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ"Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 軟件求解閘門的動力響應；倪漢根等［６］ 、劉亞坤等［７］ 、趙蘭浩等［８］ 先后通過閘門水力學試驗測得閘門面板荷載，并把荷載施加在有限元模型上，采用物模－數模聯合預測的方法研究弧形閘門流激振動問題；彭新民等［９］ 基于模態疊加法原理對閘門系統進行模態擴展，對閘門系統的結構場動力響應進行分析。雖然上述學者分析得到的閘門面板所受荷載與實際情況較為貼合，但均受測點限制，無法得出全面連續的動力場和流場數據。本文以貴州烏江某表孔露頂式弧形閘門為例，采用ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合數值計算方法，探究閘門局開運行時脈動水壓力作用的流激振動問題，并在結構場基礎上對閘門振動進行反分析，驗證ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合數值計算方法，用于分析泄洪誘發閘門流激振動問題的可行性。