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基于流固耦合数值模拟的深孔平面钢闸门底缘结构型式研究

张学森  
【摘要】:平面钢闸门作为在工程中应用最为广泛的闸门型式之一,因其结构和工作条件的复杂性,使得其在运行中存在着诸多安全问题。闸门在启闭过程中或是局部开启时,往往会产生启闭困难、空蚀或振动,严重时可能会引起闸门的破坏。 闸门的自振特性是其发生振动的内因,过闸水流产生的负压和脉动压力是导致闸门空蚀和振动主要外因。底缘结构型式不仅影响到闸门的自振特性,而且对过闸水流流态也有较大的影响。因此,基于流固耦合数值模拟方法,以闸后发生淹没水跃的潜孔式平面钢闸门为研究对象,对不同底缘结构型式闸门的启闭力、底部负压及静动力特性进行分析比较,所得结论为闸门底缘结构的合理布置提供科学依据,具有重要的工程实际意义,同时也为平面钢闸门底缘结构型式的研究开拓了一种新的思路,对不同种类平面钢闸门结构布置研究有一定参考价值。本文主要工作和结论如下: (1)利用商业软件ANSYS12.0进行参数化建模,以ANSYS WORKBENCH为操作平台,采用FLUENT模块对二维闸后水跃进行数值模拟验证,分析闸门底缘结构型式对过闸水流水力特性的影响。 (2)根据某深孔平面钢闸门的实际运行情况,建立三维水流-闸门单向流固耦合模型,考虑水流流动对闸门结构影响,进行计算分析,得出与按照规范中公式计算值相比,初始模型及修改模型中闸门底部的上托力和下吸力均有所增大,尤其是初始模型中闸门的下吸力更是增大了81%以上,结果表明底缘结构型式对闸门的启闭力有所影响,而对闸门的静力特性影响不明显,但修改后的五种方案与初始模型相比较,闸底负压有了明显的改善,其中方案四的效果最好。 (3)在考虑水体-闸门流固耦合作用下,对闸门结构进行自振特性分析,得出不同底缘结构型式对闸门动力特性的影响,仅有前倾角的闸门底缘型式对闸门结构的自振特性影响不明显,而既有前倾角又有后倾角的底缘结构型式对闸门结构自振特性影响较大,提高了闸门的自振频率,并且考虑水体与闸门的流固耦合作用时,闸门结构自振频率明显降低。 (4)结合工程实际,在初始模型的基础上对底缘结构型式进行修改,研究底缘结构型式对平面钢闸门静动力特性的影响,并对五种修改方案进行比较分析,验证了规范推荐底缘型式的合理性。


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