闸门流激振动及水流流态数值模拟研究

摘要

闸门安全稳定与否是影响水利设施安全性和工作性能的一个重要因素，而现在随着大坝的不断修建，闸门工作时的运行条件越来越复杂，闸门周围的不稳定流场也给其带来了较多的扰动，甚至威胁闸门的安全运行，因此研究闸门结构在水动力载荷作用下的稳定性及安全性有重要意义。本文基于ANSYS Workbench平台，对某水利枢纽工程的事故闸门进行了流激振动分析，并研究了闭门过程中的水力特性，以期对闸门及闸室等水工设施的设计及运行和维护提供参考。主要研究内容及结果如下： （1）综述了闸门振动、流固耦合及计算流体力学的研究现状，阐述了计算流体力学和流固耦合基本理论以及数值计算方法，为整个研究提供了理论依据。 （2）针对该闸门进行传统平面力系的简化计算及有限元精细化静力学分析，其计算结果相近。同时对闸前有水和无水状态下闸门的模态进行了研究，结果表明闸前有水时，闸门的振动频率明显低于无水状态，其一阶频率降幅达到34.39%。 （3）基于双向流固耦合理论对闸门不同开度时的流激振动情况进行了数值模拟。得到了闸门不同开度下位移、应力的分布情况，同时得到了闸门周围水流的压力场及速度场参数，揭示了闸门流激振动的特征，闸门开度越大，闸门的位移和应力越小。 （4）采用RNG k-ε模型、VOF方法以及动网格技术模拟了该事故闸门的闭门过程，研究了闭门过程中闸门的水力特性，得到闸后流态、压力场及闸底压力，研究了闭门速度对闸门水力特性的影响，结果表明闭门速度对闸门水力特性影响不显著。

目录

声明

1 绪 论

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 闸门振动研究现状

1.2.2 流固耦合研究现状

1.2.3 计算流体力学研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 流体计算及流固耦合基础理论

2.1 计算流体力学理论

2.1.1 流体力学控制方程

2.1.2 流场的数值计算方法

2.2 湍流数值模拟方法

2.2.1 标准 k-ε模型

2.2.2 RNG k-ε模型

2.3 控制方程的离散方法

2.4 边界条件

2.5 动网格方法

2.6 流固耦合理论

2.6.1 耦合类型

2.6.2 流固耦合控制方程

2.6.3 流固耦合求解流程

2.6.4 流固耦合中的数据传递

2.7 本章小结

3 闸门理论计算及模态分析

3.1 闸门结构形式

3.2 闸门传统理论计算

3.2.1 闸门荷载计算

3.2.2 主梁计算

3.3 闸门有限元静力计算

3.3.1 闸门模型建立

3.3.2 边界条件及结果分析

3.4 闸门模态分析

3.4.1 模态分析基本原理

3.4.2 流体固体耦合模型建立

3.4.3 计算结果分析

3.5 本章小结

4 闸门流激振动数值模拟研究

4.1 流激振动计算模型

4.1.1 流场模型及边界条件设置

4.1.2 流固耦合接触设置

4.2 流激振动计算结果

4.2.1 闸门位移情况

4.2.2 闸门应力情况

4.2.3 流场情况分析

4.3 本章小结

5 闸门闭门过程水力特性数值模拟研究

5.1 模型建立及条件设置

5.1.1 流场模型

5.1.2 网格划分方法

5.1.3 边界条件及求解方法

5.2 闸门闭门过程水力特性分析

5.2.1 闭门时闸后流态

5.2.2 闸后压力场分布

5.2.3 底缘压力

5.3 闭门速度对水力特性的影响分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表论文与研究成果

致谢