露顶式弧形闸门流固耦合数值模拟正反分析

摘 要：针对表孔局开泄洪诱发露顶式弧形闸门流激振动问题，借助计算流体力学（ＣＦＤ） 软件Ｆｌｕｅｎｔ 和计算结构动力学（ＣＳＤ） 软件Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＡＰＤＬ 构建闸门与泄洪水流的流固耦合传递数学模型，计算并分析闸门在泄流时的振动特性，基于模态叠加法原理编制闸门流激振动反分析程序，实现对闸门流激振动的动力响应结果的反分析。以乌江某工程露顶式弧形闸门为例进行正反分析，结果表明：采用大涡模拟（ＬＥＳ）的紊流模型得出闸门面板的脉动压强具有低频、窄带的特性，基本符合正态分布；利用模态坐标和振型向量、应力向量合成计算闸门的结构动力场，反分析得出的动位移场、动应力场与采用完全法正分析得出的结果基本一致，验证了反分析方法的合理性和程序的适用性。

关键词：弧形闸门；流固耦合；模态叠加法；动位移；反分析

中图分类号：ＴＶ６６３＋ ．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０２４

引用格式：卢洋亮，傅学敏，刘亚坤，等．露顶式弧形闸门流固耦合数值模拟正反分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（８）：１３７－１４２，１４８．

０ 引言

高坝泄流工程中水工钢闸门作为泄水建筑物的控制设备，其安全运行关系到整个水利枢纽和周边居民生命及财产安全。弧形闸门以其优越的水力特性和启闭灵活等优点，广泛运用于溢洪道和泄洪洞中。然而，在实际运行中往往因水流不稳定而造成闸门面板承受不良水流激励荷载，诱发弧形闸门流激振动问题，甚至引起支臂失稳破坏［１］ 。目前对弧形闸门流激振动问题的研究方法主要有原型观测、水弹性试验和数值模拟［２］ ，其中：原型观测法可获得闸门运行的实际振动数据，实测结果最为真实，但该方法须在闸门建成后方可实施；水弹性试验方法可较好反映水体－闸门耦合水动力特性，然而，对于水弹性材料需要重点修正其阻尼比和泊松比以满足相似准则，建模成本高、试验周期长；随着计算机性能的迅猛提升，数值模拟方法逐渐引起重视并实现运用，该方法可单独借助ＣＦＤ 实现对泄洪水流的三维流场分析，还可对闸门结构进行有限元（ＦＥＭ）计算，对水体－闸门流固耦合的动力响应进行分析［３］ 。

在闸门流固耦合数值模拟分析方面， 唐克东等［４］ 、张聪等［５］ 基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 平台实现弧形闸门的单向流固耦合分析，通过Ｆｌｕｅｎｔ 软件计算闸门局开泄洪水流作用在闸门面板的动水压力，并借助Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ"Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ 软件求解闸门的动力响应；倪汉根等［６］ 、刘亚坤等［７］ 、赵兰浩等［８］ 先后通过闸门水力学试验测得闸门面板荷载，并把荷载施加在有限元模型上，采用物模－数模联合预测的方法研究弧形闸门流激振动问题；彭新民等［９］ 基于模态叠加法原理对闸门系统进行模态扩展，对闸门系统的结构场动力响应进行分析。虽然上述学者分析得到的闸门面板所受荷载与实际情况较为贴合，但均受测点限制，无法得出全面连续的动力场和流场数据。本文以贵州乌江某表孔露顶式弧形闸门为例，采用ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合数值计算方法，探究闸门局开运行时脉动水压力作用的流激振动问题，并在结构场基础上对闸门振动进行反分析，验证ＣＦＤ－ＣＳＤ 耦合数值计算方法，用于分析泄洪诱发闸门流激振动问题的可行性。