不同開(kāi)度時(shí)弧形閘門(mén)流固耦合數(shù)值模擬

唐克東 王旭聲 孫留穎

摘要：為研究弧形閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)受力情況，采用單向流固耦合的方法，結(jié)合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，利用ANSYS、Fluent軟件建立了水流流場(chǎng)和閘門(mén)三維模型，對(duì)不同開(kāi)度下閘門(mén)受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了過(guò)閘流量和閘門(mén)變形、應(yīng)力變化的規(guī)律，通過(guò)與理論計(jì)算過(guò)閘流量對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大，閘門(mén)動(dòng)水壓力逐漸減小，最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生了變化，應(yīng)依據(jù)不同的工作環(huán)境進(jìn)行閘門(mén)設(shè)計(jì)和加固。

關(guān)鍵詞：弧形閘門(mén);開(kāi)度;流固耦合;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV663+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.029

弧形閘門(mén)因啟門(mén)力小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于水工建筑物中[1]。在水利工程運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)全部或局部開(kāi)啟閘門(mén)調(diào)節(jié)過(guò)閘流量，控制上游或水庫(kù)水位。但閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，受復(fù)雜的水流條件影響，動(dòng)水壓力的計(jì)算比較困難[2]。目前，流固耦合的求解分為單向流固耦合和雙向流固耦合[3]。單向流固耦合只考慮流場(chǎng)對(duì)固體的作用，不考慮固體對(duì)流場(chǎng)的影響，計(jì)算速度快但存在一定誤差：雙向流固耦合考慮流體和固體之間的相互作用，計(jì)算準(zhǔn)確但計(jì)算效率低。在泄流過(guò)程中，弧形閘門(mén)變形相對(duì)較小，可以忽略變形對(duì)水流的影響[4].因此可以采用單向流固耦合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬。筆者以某水利工程泄流段為例，利用ANSYS、Fluent軟件，建立流場(chǎng)和弧形閘門(mén)三維模型，結(jié)合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，對(duì)不同開(kāi)度下的弧形閘門(mén)進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，分析閘門(mén)的應(yīng)力變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

k-ε模型是目前工程中應(yīng)用廣泛的湍流模型，分為standard k-ε、RNG k-8、Realizable k-ε三種湍流模型[5]。standard k-8模型由湍流動(dòng)能后方程和湍動(dòng)耗散率ε方程組成，適用于完全湍流的流場(chǎng);RNG k-ε模型在ε方程中增加了一個(gè)附加生成項(xiàng)，適用于計(jì)算分離、大曲率和旋轉(zhuǎn)等流動(dòng)[6];Realizable k-ε模型對(duì)湍流黏性進(jìn)行了修改，并為湍動(dòng)耗散率ε增加了計(jì)算公式，適用于多種復(fù)雜水體流動(dòng)[7]。本文應(yīng)用Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行泄洪道內(nèi)泄流與弧形閘門(mén)的耦合分析。

VOF方法通過(guò)定義流體與網(wǎng)格體積比函數(shù)追蹤自由液面的變化，適用于互不摻混的多相流計(jì)算[8]。泄流過(guò)程是復(fù)雜自由液面的水氣兩相流動(dòng)，在Realizable k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上，采用VOF方法進(jìn)行自由液面的模擬。體積比函數(shù)為

2 計(jì)算模型

2.1 工程概況

某Ⅱ等水利工程，水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位2 628.0 m，校核蓄水位2 628.7 m，兩岸邊坡坡度為500～ 700。壩型為混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)度210.0 m，共分9個(gè)壩段。泄流底孔采用壓力洞形式，進(jìn)口高程為2 550.0 m，進(jìn)口頂板曲線方程為X/7.5+ Y/2.5=1.底板為半徑R=2 m的倒角。水流進(jìn)口設(shè)置事故檢修閘門(mén)，孔口尺寸為5.0 mx7.0 m。出口設(shè)弧形工作門(mén)，孔口尺寸為5.0 mx6.0 m?；⌒喂ぷ鏖T(mén)半徑R= 8.0 m，支鉸中心線高程為2 571.0 m，由油壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。閘門(mén)槽后接拋物線底板，出口采用挑流消能方式，挑坎高程為2 536.0 m，反弧段半徑為28 m，挑角為28°。

2.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

水流流場(chǎng)分為水庫(kù)和泄洪道兩部分。水庫(kù)斷面近似為等腰梯形，上底為210 m，梯角為60°。上游水流采用靜水壓力人口，忽略微小動(dòng)水壓力的影響，水庫(kù)縱向長(zhǎng)度取2倍壩長(zhǎng)。泄洪道區(qū)域?qū)挾葹?m，采用布爾運(yùn)算減去閘門(mén)模型得到泄洪道流場(chǎng)模型。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格以六面體單元為主，共有節(jié)點(diǎn)1132 996個(gè)，單元1 082 465個(gè);閘門(mén)網(wǎng)格以四邊形殼單元為主，共有節(jié)點(diǎn)266 332個(gè)，單元199 656個(gè)。閘門(mén)流固耦合的計(jì)算共分0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m等11種開(kāi)度工況。

2.3 邊界條件和初始條件

水流流場(chǎng)上游端面設(shè)置靜水壓力人口，采用自定義函數(shù)進(jìn)行設(shè)置;上表面設(shè)置大氣壓力人口，與閘門(mén)的交界面設(shè)置流固耦合邊界條件，出流口設(shè)置大氣壓力出口，壁面設(shè)置無(wú)滑移邊界條件。入口邊界的湍流動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。水流流場(chǎng)的初始條件：以閘門(mén)弧形表面為分界，上游及水庫(kù)區(qū)域設(shè)置水體體積分?jǐn)?shù)為1.表示該區(qū)域充滿水：下游設(shè)置水體體積分?jǐn)?shù)為0，表示該區(qū)域充滿空氣。計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)檢修閘門(mén)處流量，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)計(jì)算結(jié)束。

閘門(mén)在局部開(kāi)啟工況下，考慮自重和動(dòng)水壓力荷載，忽略支鉸摩阻力、止水摩阻力等作用。邊界條件考慮支鉸、啟閉桿和側(cè)面滑塊的約束，簡(jiǎn)化為支鉸圓孔約束軸向、徑向位移為0，吊耳圓孔約束軸向、徑向位移為0，門(mén)體側(cè)面滑塊處約束法向位移。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 理論公式驗(yàn)證

閘孔過(guò)閘流量與閘前水頭和閘門(mén)相對(duì)開(kāi)啟高度有關(guān)，理論計(jì)算公式[9]為

閘門(mén)不同開(kāi)度下泄洪道流量見(jiàn)表1（0開(kāi)度條件下，泄流流量為0）。經(jīng)過(guò)比較，理論計(jì)算值和數(shù)值模擬值誤差在5%以內(nèi)，表明數(shù)值模擬方法合理，結(jié)果有效。

3.2 水面形態(tài)

水面線作為泄水建筑物設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，計(jì)算時(shí)位置為體積比函數(shù)為50%的水氣交界面[1O]。水體體積分?jǐn)?shù)是計(jì)算單元中水體體積與單元體積的比值，存在3種可能：當(dāng)?shù)扔?時(shí)，表示該單元中不含水體，即充滿空氣;當(dāng)?shù)扔?時(shí)，表示該單元中充滿水體;當(dāng)介于0和1之間時(shí)，表示該單元中存在水氣交界面。溢洪道縱剖面水面形態(tài)見(jiàn)圖1。不同開(kāi)度下，水體體積分?jǐn)?shù)層次明顯，水體體積分?jǐn)?shù)為50%的曲線與溢洪道曲線近似平行。當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí)，水面線平順，水流基本沿溢洪道曲線流出。

3.3 閘門(mén)應(yīng)力分析

不同開(kāi)度下，閘門(mén)動(dòng)水壓力分布見(jiàn)圖2。在水流作用下，閘門(mén)弧面頂部表面壓力最大，隨著水頭的增大，壓力逐漸減小;隨著開(kāi)度的增大，水流斷面面積增大，閘門(mén)的作用面積和動(dòng)水壓力均逐漸減小。

閘門(mén)在不同水位下的變形和應(yīng)力見(jiàn)表2。由于面板為薄壁結(jié)構(gòu)且受壓面大，因此沿徑向向內(nèi)凹陷明顯，最大變形在面板下部橫梁與縱梁間的區(qū)格中心：最大應(yīng)力發(fā)生在閘門(mén)瞬間開(kāi)啟時(shí)，下支臂與橫梁連接處：隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大，閘門(mén)最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)：當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，動(dòng)水壓力較大，閘門(mén)沿徑向受壓作用明顯，最大應(yīng)力在下支臂與支鉸連接處：當(dāng)開(kāi)度較大時(shí)，水流作用較小，閘門(mén)部分結(jié)構(gòu)擋水受壓，最大應(yīng)力在面板與主縱梁連接處表面。因此，在不同運(yùn)行條件下，弧形閘門(mén)的關(guān)鍵部位：瞬間開(kāi)啟時(shí)，下支臂與橫梁連接處;小開(kāi)度下，下支臂與支鉸連接處;大開(kāi)度下，面板下部位于主縱梁連接位置的表面。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ANSYS、Fluent軟件，建立了弧形閘門(mén)三維有限元模型，采用Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，分析了不同開(kāi)度下閘門(mén)的受力情況，通過(guò)與泄流量理論計(jì)算值的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的合理性。結(jié)果表明，溢洪道弧形閘門(mén)瞬間開(kāi)啟時(shí)應(yīng)力最大，最大應(yīng)力發(fā)生在下支臂與橫梁連接處：隨著開(kāi)度的增大，動(dòng)水壓力逐漸減小，最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生了變化，應(yīng)依據(jù)不同的工作環(huán)境進(jìn)行閘門(mén)設(shè)計(jì)和加固。

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