基于某水利工程平面钢闸门振动机理试验研究

林立旗 张怀仁 洪伟 耿红磊

摘  要：闸门振动易引发自身结构的疲劳损伤，在某种条件下甚至会诱发闸门失稳。诱发闸门振动的机理非常复杂，特殊条件下甚至造成闸门失稳，本文基于某水利工程平面闸门的动力特性、振动响应、脉动频率等相关振动参数的测试，结合其流固耦合分析情况，探讨该平面钢闸门振动产生的机理，提出相应的减震解决方案，为后续工程建设提供借鉴。

关键词：平面钢闸门  测试  自振激励  振动机理

中图分类号：TV312;TV663.4              文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0024-06

Experimental study on the vibration mechanism of plain gate in hydrographic engineering

Lin Liqi1  Zhang Huairen1*  Hong Wei2  Geng Honglei1

（1.National Center of Quailty Inspection and Testing for Hydro Steel Structure The Ministry of Water Resources P.R.China， zhengzhou， Henan Province 450044  China; 2.Bureau of Comprehensive Development

Ministry of Water Resources， Beijing， 100053  China）

Abstract： Gate vibration is easy to cause fatigue damage of its own structure， and even induce gate instability under certain conditions. The mechanism of inducing gate vibration is very complex， and even causes gate instability under special conditions. Based on the test of relevant vibration parameters such as dynamic characteristics， vibration response and pulsation frequency of plane gate of a hydraulic project， combined with its fluid structure coupling analysis， this paper discusses the mechanism of plane steel gate vibration and puts forward corresponding damping solutions， Provide reference for follow-up project construction.

Key Words： Plane gate; Test; Natural vibration excitation; Vibration mechanism

闸门振动是一种特殊的水力学问题，涉及水流条件、闸门结构及其相互作用，属流体诱发振动[1]。根据对平面闸门事故原因分析，平面闸门破坏多发生在闸门的启闭过程，往往伴随着剧烈的振动，且容易诱发共振[2-3]，闸门振动易引发自身结构的疲劳损伤，在某种条件下甚至会诱发闸门失稳。

导致闸門振动的机理非常复杂，至今没有一个比较成熟的理论研究加以解决。但总体而言，闸门振动是因为流体与闸门结构的相互作用，其诱发原因分为受迫振动和自激振动[4-5]，因此，开展闸门振动机理研究，通过对闸门振动故障的诊断与分析，找出不利于闸门运行的工作状况、提出预防闸门振动的措施，对防止闸门因振动失稳具有重要的意义。

某水利工程在日常运行管理中发现，在存在某个特定上下游水位差且闸门小开度运行时，闸门门体存在明显的振动现象，具体情况为：（1）上游水位在14.20～14.98m，下游水位在12.10～13.30m的情况下，闸门开度约15～80cm时，存在振动现象且上游水面有振动波纹。（2）当上游水位在14.00～14.20m，下游水位在11.40～11.80m的情况下，闸门开度约15～40cm时，振动强烈且上游水面出现振动波纹。

为找出该闸门异常振动产生的原因，本文通过对该平面闸门的动力特性、振动响应、脉动频率等相关振动参数的测试研究，结合流固耦合有限元分析情况，分析该闸门异常振动的机理，并提出相应的减震解决方案。

1  振动测试及数据分析

1.1 动力特性测试

通过对闸门提出孔口及闸门全部在门槽内不同工况下，采用随机激励方式对该闸门进行动力特性测试（振型如图1、图2所示），其结果为该闸门1阶固有频率分布在32.2～34.2Hz之间，2阶固有频率分布在70.3～73.2Hz之间。

1.2 振动响应测试成果与分析

在闸门上游水位为14.50m，下游水位为12.27m的情况下，闸门由全开状态运行至全关测试结果分析如下：（1）闭门过程中各测点的振动趋势相似，均未出现强烈振动;（2）闭门时出现瞬时强烈振动，振动持续时间极短，振动幅值较大;（3）闭门过程中最大振动加速度为2.2m/s?，所有测点最大振动加速度对应频率集中分布在30.3～39.1Hz之间。

在闸门上游水位为14.50m，下游水位为12.27m的情况下，闸门由全关状态运行至全开测试结果分析如下：（1）启闭过程中闸门上各测点的振动趋势相似，在200mm开度时振动幅值达到最大，持住时闸门出现强烈振动（振动加速度曲线和频谱如图3所示）;（2）闸门启门至200mm位置过程中最大振动加速度为50.0m/s?;（3）闸门在200～600mm开度运行及持住过程中，各测点振动幅值较大，闸门出现间歇性强烈振动;（4）闸门在700mm以上开度运行中，各测点振动幅值较小，闸门未出现强烈振动。

1.3 脉动频率测试成果

在闸门启门和闭门过程中，该闸门上所有测点水下脉动压力趋势大致相同，振动幅值随着开度增大先增大后减小，最大脉动压力振动幅值对应频率集中分布在23.4～35.2Hz之间（水下脉动压力曲线和频谱如图4所示），接近闸门1阶固有频率，各测点的脉动压力能量主要集中在低频部分。

2  流固耦合分析

在闸门运行过程中必然存在水流和闸门的相互作用，水流作用于闸门引起闸门的振动，反过来闸门的振动又影响了周围流场的分布，把这种现象称为流激振动。闸门流激振动是一种激起极其复杂的流体与结构相互作用现象，属于典型的流固耦合（Fluid solid Interaction FsI）现象[6-8]。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用，固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用，将在不同条件下产生各种不同的流固耦合现象。

2.1 流固耦合有限元分析过程

为保证计算精度和计算时间，流体计算部分采用2D平面模型计算，固体计算部分采用三维整体闸门模型谐响应分析，采用System Coupling进行耦合。具体分析方法如下：采用ANSYS Fluent模块，求解出闸门在设计水头、600mm开度、背部水深1.4m工况下，水流作用在闸门面板后方上的流场压强;利用ANSYS模态分析模块，计算闸门的前3阶固有频率;利用ANSYS谐响应分析模块，通过模态叠加法，将包含正弦频率的流场压强施加在面板上，并设置流场压强的频率范围，进而求解出闸门在哪种频率下出现最大的振动。

2.2  流体计算

采用ANSYS Fluent模块，流体模型采用系统自带的标准水流模型，粘性方程采用k-epsilon模型，参数默认，进口流速为1m/s，出口压力为0（系统自动计算出口流速），迭代次数及残差默认设置，计算结果见图5～图8。

采用流固耦合方法，利用Fluent计算闸门在最高设计水头，闸门开度0.6m下门叶底缘前后方水流压力及流速。由图5～8可以得出，水流流过闸门底缘后，在门叶底缘上方一定距离产生较强的涡流，从而对闸门背水面底部形成负压，该负压因水流涡流作用下形成脉动压力。负压数值为-3.731kPa。

2.3 闸门三维谐响应计算

谐响应分析是结构动力学有限元分析的一种手段，目的在于计算出结构在几种频率下的响应值（通常是位移）对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果[9-11]。

谐响应扫频分析中，脉动压力为-0.007MPa，作用在闸门底缘后部面板上，根据闸门前两阶自振频率及振型，设定扫描频率区间为10～60Hz，采样区间120段（谐响应扫频分析的结果见图9）。

从频域图中可以看到，从20～30Hz区间内，闸门底部振动振幅逐步加大，当闸门底部脉动压力的频率为31Hz左右时，闸门底缘将出现最大振幅（其脉动压力频率和振幅值为理论计算值，不完全代表实际值），同闸门自振频率即固有频率较为接近。闸门在该工况下出现共振。从计算结果中可以得出结论：闸门在200～600mm开度区间时，由于下游水位较高，水流泄流不暢，在闸门背后产生紊流，该紊流脉动冲击压力的频率同闸门自身固有频率耦合，从而产生共振，导致闸门发生强烈的振动。

采用模态分析法分析闸门前两阶自振频率，可以看出，在水流脉动激励下下闸门表现为底部底缘部分前后摆动，因此可以推断出，若水流脉动频率达到1阶固有频率附近时，闸门底部将首先出现剧烈振动，振动形式为底缘中部前后摆动，最终使闸门整体产生剧烈振动，最后以致达到共振。

3  闸门振动测试结果的评价

对于闸门振动测试结果的评价与分析，国内暂无相关的技术标准和规范性文件。本项目闸门振动强烈程度参照采用美国阿肯色河通航枢纽中提出的以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准作为依据，通过各测点的振动加速度最大值和此时刻该测点频率值计算振动位移，振动强烈程度如表1所示。

水工金属结构的振动评价与分析，国内暂无相关的技术标准和规范性文件。借鉴机械系统共振判断方法，本项目基于振动时程响应包络线方法判断闸门是否达到共振。由该闸门各个工况下各测点振动烈度可知，在水流激励的作用下，某些开度（时间）其振幅不断增大且持续一段时间，在达到最大振幅后迅速衰减，然后不断重复类似过程，因此，该闸门已发生间歇性强烈受迫振动。

4  振动机理分析

通过对该闸门进行动力特性测试、振动响应测试、脉动压力测试、流固耦合分析，结果表明，闸门在启门过程中，当该闸门处于某一特定开度下（200～600mm开度），闸门整体出现剧烈振动的情况且上游水面出现振动波纹，最大振动加速度为51.4m/s?，对应频率为40.3Hz，最大振动位移为0.7mm。振动响应最大时的频率和水流脉动压力最大的频率都接近闸门1阶固有频率，闸门在启门和持住过程中振动强度远大于闭门过程;超过该开度下闸门振动逐渐减小，且闸门下游水位对振动的剧烈程度有密切相关的影响。

根据该闸门振动参数测试成果，结合该闸门实际振动状况及流固耦合计算可知，当闸门在200～600mm开度区间时，水流流过闸门底缘，由于下游水位较高水流泄流不畅，在闸门背后产生淹没水跃，该淹没水跃周期性冲击压力的频率同闸门自身固有频率耦合，从而产生共振，导致闸门发生强烈的振动。当闸门开度继续加大，水流下泄顺畅，淹没水跃减弱，闸门振动减小。产生这种现象的原因是流体（水流）对固体（闸门）的双向耦合作用产生的涡致振动，这种自激振动在闸门小开度运行且上下游水位差特定的情况下易发生。

5  结论与建议

5.1 结论

根据现场测试成果、流固耦合分析及对闸门振动机理的研究，该平面钢闸门小开度运行且上下游水位差特定的情况下，振动响应最大频率和水流脉动压力频最大的频率已接近闸门1阶固有频率且有强烈受迫振动现象，此区域为闸门无法避开运行区域，具备发生共振的必要条件，严重影響着工程的安全运行。

5.2 建议

（1）管理部门应制定合理运行规程，对闸门进行合理调度运行，避免闸门在振动强烈开度区间长时间持住或启闭运行。

（2）对闸门采用加固手段，加大闸门刚度，提高闸门结构的固有频率。

（3）优化闸门过流方式、止水型式、支承型式，改善闸门的过流状态，通过增加导流板等措施减小水流扰流脉动压力产生的频率。

参考文献

[1] 董爱玲.基于ANSYS的某型号平面钢闸门结构振动特性分析研究[J].水利技术监督，2020（2）：151-154.

[2] 丁鹏，岳高峰，余鹏翔，等.某水电站闸门振动响应检测及评价[J].水力发电，2020，46（3）：77-79.

[3] 刘鹏，徐国宾.平板闸门流激振动效应对启门力的影响[J].南水北调与水利科技，2020，18（1）：144-149.

[4] 葛凯，张斌.怀洪新河西坝口节制闸工作闸门振动原因分析[J].江淮水利科技，2020（2）：24-36.

[5] 刘竹丽，陈赟，伊元忠.不同开度下平面钢闸门流固耦合数值模拟研究[J].人民黄河，2020，42（11）：79-83.

[6] 陈赟.闸门流激振动及水流流态数值模拟研究[D].郑州：郑州大学，2019.

[7] 郭桂祯.平板闸门垂向流激振动特性与数值计算研究[D].天津：天津大学，2011.

[8] 刘月楼.平面直升闸门流激振动实验研究[D].昆明：昆明理工大学，2018.

[9] 骆少泽，张陆陈，樊宝康.超大弧形闸门流激振动实验研究[J].工程力学，2009，26（增刊2）：241-244.

[10]于兰峰.塔式起重机结构刚性及动态优化研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[11]张宪，何洋，钟江，等.疲劳振动试验台的模态与谐响应分析[J].机械设计与制造，2008（4）：12-14.