平面钢闸门反向挡水启门力数值分析.docx

平面钢闸门反向挡水启门力数值分析--------------------------------------------------正文内容开始---------------------------------------------------------- 垂直提升式闸门由于结构简单、维护方便，在水利工程中得到了广泛的应用[1]由于水闸上下游水位以及调水需求的变化，不少闸门在使用中存在正向挡水与反向挡水两种情况[2-4]，例如，南运河捷地节制闸，在上游无水时出现反向挡水情况[2]对于常规平面钢闸，反向挡水时面板贴近下游，而主梁贴近上游，与正向挡水相比，其闸门受力更加复杂江苏省某闸站枢纽节制闸自2022年8月至2022年底，由于反向挡水，启闭机在运行中曾出现系统失压的问题；2022年6月，闸门开启后提升困难，活塞杆呈爬行状态，提升速度不均匀，启门力存在超过设计值的不正常现象 垂直闸门启闭力主要包含重力、摩擦力以及水压力三部分，其中摩擦力与水压力往往根据相关经验公式计算[5-6]然而，经验公式作为一种普适性方法，难以考虑具体的闸门特征，特别是受水压力复杂的反向挡水闸门因此，必须建立一套更为可靠的启门力计算方法。

吴腾等[7]通过模型试验测试了闸门的启门力，并分析了变化规律；向定汉等[8]提出半桥法测量扭矩，从而计算启门力值得注意的是，上述试验方法均在水闸建成之后进行，当发现启门力不足时改进液压系统成本较高，且试验成本亦不容忽视近年来，随着计算机技术的发展，计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）在水利工程中的应用日趋广泛[9-17]郭园等[16]基于CFD分析了泄洪闸的孔口附近流态；Dimirel[17]基于CFD分析了闸后水流的涡流特征总体而言，CFD在闸孔过流分析中取得了较好的效果，但该方法还未用于复杂受力情况下水闸提升力的预测计算 本文以江苏省某节制闸为研究对象，针对垂直提升式平面钢闸反向挡水时启门力异常增大的问题，基于CFD提出启门力的计算预测方法，分析启门力增大的原因 1 水闸物理模型 江苏省某闸站枢纽节制闸为3孔，采用垂直提升式液压平板钢闸门，设计流量为500 m3/s，水闸过流部分纵剖面见图1，其中，闸门高度为4.5 m，H为闸门开高，闸门上游长度为10.2 m，下游长度为20.4 m 图1?水闸流道纵剖面Fig. 1?Longitudinal section of the sluice flow passage 图2（a）为闸门实物图，考虑到流动沿水闸宽度方向的中心线为对称分布，取闸孔一半进行CFD分析研究，如图2（b）所示。

图2?闸门结构实物与3维模型Fig. 2?Sluice photo and 3D model 2 闸门水压力数值计算2.1 数值方法 本文模拟闸门提升至某一高度时的流场，并统计流动达到稳定状态时闸门所受的力，因此采用雷诺时均N?S方法可同时满足精度与求解效率两方面要求控制方程如下： $\begin{aligned}[b] \frac{{\partial {{\left\langle u \right\rangle }_i}}}{{\partial t}} +& \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{{\left\langle u \right\rangle }_i}{{\left\langle u \right\rangle }_j}} \right) = - \frac{1}{\rho }\cdot \frac{{\partial \left\langle p \right\rangle }}{{\partial {x_i}}} + \\ & \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {{\nu _{\rm t}}\left( {\frac{{\partial {{\left\langle u \right\rangle }_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {{\left\langle u \right\rangle }_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)} \right] - \frac{{\partial \tau _{{\rm{RANS}},ij}}}{{\partial {x_j}}} \end{aligned} $ (1) 式中：?$u$?为速度，m/s；?$\left\langle {\ } \right\rangle $?表示雷诺平均；?$p$?为压力，Pa；?$\;\rho $?为密度，kg/m3；?${\nu _{\rm t}}$?为涡黏系数，m2/s；?$\tau _{{\rm{RANS}},ij}$?为雷诺应力，m2/s2；?$x$?为笛卡尔坐标；?$i=1,2,3$?，?$j=1,2,3$?。

为求解雷诺应力，选择常用的标准k?ε模型[17-19] 水体过闸流动是典型的气液两相流，水与空气之间存在明显的自由水面本文采用均相流模型[20]，即两相共用速度与压力场，相间不存在滑移速度此时，密度写为混合密度形式： $\rho = (1 - {\alpha _{\rm{l}}}){\rho _{\rm{a}}} + {\alpha _{\rm{l}}}{\rho _{\rm{l}}}$ (2) 式中，?$\alpha $?为体积分数，下标“a”与“l”分别表示气相与液相为求解?$\alpha $?，采用其输运方程[21]： $\uad\quad\;\;\;\frac{{\partial {\alpha _{\rm{l}}}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial ({\alpha _{\rm{l}}}{{\left\langle u \right\rangle }_i})}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial [{{\left\langle {{u_{\rm{c}}}} \right\rangle }_i}{\alpha _{\rm{l}}}(1 - {\alpha _{\rm{l}}})]}}{{\partial {x_i}}} = 0$ (3) 式中，?${\left\langle {{u_{\rm{c}}}} \right\rangle _i}$?为压缩速度。

对于本算例中的两相流，需同时考虑空气与水，因此在建立计算域时应将其划分为水域与空气域两部分，其中，水域的高度根据水闸运行时的上、下游水位给定，而空气域则是将水面在高度方向延伸计算域网格划分时，应在水闸以及自由水面附近进行加密处理，以充分解析该区域的流动经网格无关性检验，本文网格总数控制在8×106左右，图3（a）为水闸开高1.65 m时的网格 图3?闸门反向挡水时计算域网格划分与边界条件设置（H=1.65 m）Fig. 3?Mesh and boundary condition setting of the calculation domain for sluice when retaining water inversely (H=1.65 m) 计算域以及相应的边界条件见图3（b），采用边界条件如下：1）水域进口的流量进口条件为，水的体积分数设置为1，空气体积分数为0；2）水域出口的条件为给定流量Q；3）面板宽度方向的中线所在面为对称边界；4）空气域上表面为Opening 边界（开敞边界），压力设置为0，且水的体积分数为0，空气体积分数为1；5）空气域与水域之间交界面为Gerneral Connection。

未标注的边界均使用无滑移固壁条件为验证数值结果的可靠性，针对5种开高下的闸门过流流动进行分析，具体参数见表1，其中流量通过多次计算确定 表1?闸门5种计算方案开高、上下游水位与过流流量Tab. 1?Five simulation cases for the sluice at different opening heights with different water levels and flow rates 具体步骤为： 1）按现有的经验公式进行预估，如下[5]： $Q = {\sigma _{\rm{s}}}{\mu _0}HB\sqrt {2g{H_0}} /2$ (4) 式中：?${\sigma _{\rm{s}}}$?为淹没系数；?${\;\mu _0}$?为闸孔自由出流的流量系数；H为闸门开启高度，m；B为每孔净宽，m；?${H_0}$?为包括行近流速水头的闸前水头，m；?$g$?为重力加速度，m/s2 2）将水域对称面上水的体积分数平均值?${\alpha _{{\rm{ave1}}}}$?及空气域对称面上水的体积分数平均值?${\alpha _{{\rm{ave2}}}}$?作为判据：若?${\alpha _{{\rm{ave}}1}} > 0.9$?且?${\alpha _{{\rm{ave2}}}} < 0.4$?，则说明流量已符合实际情况；若?${\alpha _{{\rm{ave1}}}} < 0.9$?，则说明流量偏低，将流量调整为原来的?$0.9/{\alpha _{{\rm{ave1}}}}$?倍。

3）若?${\alpha _{{\rm{ave1}}}} > 0.9$?且?${\alpha _{{\rm{ave2}}}} > 0.4$?，则说明流量偏高，将流量调整为原来的?$0.9/{\alpha _{{\rm{ave}}1}}$?倍在流量符合实际情况之前，重复本步骤最终确定的流量见表1 本文中，所有开高对应的流量仅需2次迭代计算即可确定 2.2 闸门水压力CFD计算结果 对应表1的5种方案闸门不同开高时，闸门所受水作用力?${F_x}$?和?${F_y}$?的计算结果如表2所示 表2?不同开高时闸门受到的水作用力CFD预测结果Tab. 2?CFD prediction of water force on sluice at different opening heights 表2中：?${F_x}$?为水平作用力，方向指向下游为正；?${F_y}$?为垂直作用力，向下为正由表2可知，随着闸门开高增大，?${F_x}$?减小，这是因为闸门浸入水中部分减少，从而上下游两侧水平压力差降低随着开高增大，?${F_y}$?先增大后减小，再增大后减小，具体原因将在后文进一步分析。

3 闸门启门受力分析、数值预测及实测验证3.1 闸门启门受力分析 如图4所示，启门闸门受重力G、水流垂直作用力Fy、水流水平作用力Fx、滚轮摩擦力Fm、门槽对闸门滚轮的水平反力Fw、启门力Ft?的共同作用水平方向，Fw与Fx相平衡；垂直方向，Ft与G、Fy及Fm相平衡 图4?闸门受力分析Fig. 4?Stress analysis of sluice 现分别对其受力进行计算： 1）重力 包括闸门（包括滚轮）的重力及液压缸活塞杆的自重： $ G={G}_{{\text{闸}}}{+}{G}_{{\text{杆}}}$ (5) 根据闸门设计参数，计算算例中?$G{\rm{ = 1}}{\。