不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟

唐克东 王旭声 孙留颖

摘要：为研究弧形闸门局部开启时受力情况，采用单向流固耦合的方法，结合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，利用ANSYS、Fluent软件建立了水流流场和闸门三维模型，对不同开度下闸门受力情况进行数值模拟，获得了过闸流量和闸门变形、应力变化的规律，通过与理论计算过闸流量对比，验证了数值模拟结果的准确性。结果表明：随着闸门开度的增大，闸门动水压力逐渐减小，最大应力区域发生了变化，应依据不同的工作环境进行闸门设计和加固。

关键词：弧形闸门;开度;流固耦合;数值模拟

中图分类号：TV663+.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.029

弧形闸门因启门力小、操作方便等优点而广泛应用于水工建筑物中[1]。在水利工程运行过程中，通过全部或局部开启闸门调节过闸流量，控制上游或水库水位。但闸门局部开启时，受复杂的水流条件影响，动水压力的计算比较困难[2]。目前，流固耦合的求解分为单向流固耦合和双向流固耦合[3]。单向流固耦合只考虑流场对固体的作用，不考虑固体对流场的影响，计算速度快但存在一定误差：双向流固耦合考虑流体和固体之间的相互作用，计算准确但计算效率低。在泄流过程中，弧形闸门变形相对较小，可以忽略变形对水流的影响[4].因此可以采用单向流固耦合的方法进行数值模拟。笔者以某水利工程泄流段为例，利用ANSYS、Fluent软件，建立流场和弧形闸门三维模型，结合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，对不同开度下的弧形闸门进行单向流固耦合计算，分析闸门的应力变化规律。

1 数学模型

k-ε模型是目前工程中应用广泛的湍流模型，分为standard k-ε、RNG k-8、Realizable k-ε三种湍流模型[5]。standard k-8模型由湍流动能后方程和湍动耗散率ε方程组成，适用于完全湍流的流场;RNG k-ε模型在ε方程中增加了一个附加生成项，适用于计算分离、大曲率和旋转等流动[6];Realizable k-ε模型对湍流黏性进行了修改，并为湍动耗散率ε增加了计算公式，适用于多种复杂水体流动[7]。本文应用Realizable k-ε湍流模型进行泄洪道内泄流与弧形闸门的耦合分析。

VOF方法通过定义流体与网格体积比函数追踪自由液面的变化，适用于互不掺混的多相流计算[8]。泄流过程是复杂自由液面的水气两相流动，在Realizable k-ε湍流模型的基础上，采用VOF方法进行自由液面的模拟。体积比函数为

2 计算模型

2.1 工程概况

某Ⅱ等水利工程，水库设计蓄水位2 628.0 m，校核蓄水位2 628.7 m，两岸边坡坡度为500～ 700。坝型为混凝土重力坝，坝顶长度210.0 m，共分9个坝段。泄流底孔采用压力洞形式，进口高程为2 550.0 m，进口顶板曲线方程为X/7.5+ Y/2.5=1.底板为半径R=2 m的倒角。水流进口设置事故检修闸门，孔口尺寸为5.0 mx7.0 m。出口设弧形工作门，孔口尺寸为5.0 mx6.0 m。弧形工作门半径R= 8.0 m，支铰中心线高程为2 571.0 m，由油压启闭机启闭。闸门槽后接抛物线底板，出口采用挑流消能方式，挑坎高程为2 536.0 m，反弧段半径为28 m，挑角为28°。

2.2 计算区域和网格划分

水流流场分为水库和泄洪道两部分。水库断面近似为等腰梯形，上底为210 m，梯角为60°。上游水流采用静水压力人口，忽略微小动水压力的影响，水库纵向长度取2倍坝长。泄洪道区域宽度为5m，采用布尔运算减去闸门模型得到泄洪道流场模型。计算区域网格以六面体单元为主，共有节点1132 996个，单元1 082 465个;闸门网格以四边形壳单元为主，共有节点266 332个，单元199 656个。闸门流固耦合的计算共分0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m等11种开度工况。

2.3 边界条件和初始条件

水流流场上游端面设置静水压力人口，采用自定义函数进行设置;上表面设置大气压力人口，与闸门的交界面设置流固耦合边界条件，出流口设置大气压力出口，壁面设置无滑移边界条件。入口边界的湍流动能k和湍动耗散率ε根据经验公式确定。水流流场的初始条件：以闸门弧形表面为分界，上游及水库区域设置水体体积分数为1.表示该区域充满水：下游设置水体体积分数为0，表示该区域充满空气。计算过程中，监测检修闸门处流量，达到稳定时计算结束。

闸门在局部开启工况下，考虑自重和动水压力荷载，忽略支铰摩阻力、止水摩阻力等作用。边界条件考虑支铰、启闭杆和侧面滑塊的约束，简化为支铰圆孔约束轴向、径向位移为0，吊耳圆孔约束轴向、径向位移为0，门体侧面滑块处约束法向位移。

3 计算结果分析

3.1 理论公式验证

闸孔过闸流量与闸前水头和闸门相对开启高度有关，理论计算公式[9]为

闸门不同开度下泄洪道流量见表1（0开度条件下，泄流流量为0）。经过比较，理论计算值和数值模拟值误差在5%以内，表明数值模拟方法合理，结果有效。

3.2 水面形态

水面线作为泄水建筑物设计中的重要参数，计算时位置为体积比函数为50%的水气交界面[1O]。水体体积分数是计算单元中水体体积与单元体积的比值，存在3种可能：当等于0时，表示该单元中不含水体，即充满空气;当等于1时，表示该单元中充满水体;当介于0和1之间时，表示该单元中存在水气交界面。溢洪道纵剖面水面形态见图1。不同开度下，水体体积分数层次明显，水体体积分数为50%的曲线与溢洪道曲线近似平行。当流量稳定时，水面线平顺，水流基本沿溢洪道曲线流出。

3.3 闸门应力分析

不同开度下，闸门动水压力分布见图2。在水流作用下，闸门弧面顶部表面压力最大，随着水头的增大，压力逐渐减小;随着开度的增大，水流断面面积增大，闸门的作用面积和动水压力均逐渐减小。

闸门在不同水位下的变形和应力见表2。由于面板为薄壁结构且受压面大，因此沿径向向内凹陷明显，最大变形在面板下部横梁与纵梁间的区格中心：最大应力发生在闸门瞬间开启时，下支臂与横梁连接处：随着闸门开度的增大，闸门最大应力呈减小趋势：当闸门开度较小时，动水压力较大，闸门沿径向受压作用明显，最大应力在下支臂与支铰连接处：当开度较大时，水流作用较小，闸门部分结构挡水受压，最大应力在面板与主纵梁连接处表面。因此，在不同运行条件下，弧形闸门的关键部位：瞬间开启时，下支臂与横梁连接处;小开度下，下支臂与支铰连接处;大开度下，面板下部位于主纵梁连接位置的表面。

4 结语

基于ANSYS、Fluent软件，建立了弧形闸门三维有限元模型，采用Realizable k-ε湍流模型和VOF方法，分析了不同开度下闸门的受力情况，通过与泄流量理论计算值的对比，验证了数值计算方法的合理性。结果表明，溢洪道弧形闸门瞬间开启时应力最大，最大应力发生在下支臂与横梁连接处：随着开度的增大，动水压力逐渐减小，最大应力区域发生了变化，应依据不同的工作环境进行闸门设计和加固。

参考文献：

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