水力自动滚筒闸门振动特性的试验研究及数值模拟

摘要

随着工农业发展，在我国原本水资源短缺的北方地区，水资源供需矛盾更加突出。即便这样，对于现有的水资源，有些却不能得到合理的利用，如多泥沙洪水资源的利用就一直难以实现。本文研究的水力自动滚筒闸门，在泥沙淤积的情况下仍可实现开启自如，有效利用洪水资源。之前的研究工作充分证实了新型水力自动滚筒闸门在泥沙淤积情况下可以自如开启的可行性，目前为将这一构想应用于实践工程，须对滚筒闸体在动水压力作用下的强度、刚度和稳定性等工程问题进行研究。水力自动滚筒闸门开启前的闸体于静水压力作用下的强度、刚度和稳定性比较容易计算。但滚筒闸门在开启后，若要计算作用在其上的动水压力引起的闸体振动特性，尤其是关于振动和稳定性的设计及计算，目前为止尚未见现成的计算方法可供参考。本文在模型试验和数值模拟的基础上，结合理论分析，研究了水力自动滚筒闸门在动水压力作用下的变形及振动分布规律。具体如下：
　　(1)通过模型试验，研究了在不同筒下开度和上游水深的工况下，圆筒表面各特征点在动水压力作用下的振动加速度、振动幅值及振动频率的变化规律。
　　(2)采用数值方法模拟研究了水流中水力自动滚筒闸门的动力学特性。通过数值模拟方法将动水压力作用在圆筒表面，进一步确定圆筒闸体表面的应力、应变分布及振动变形变化规律。对横置于水流中滚筒闸体表面振动幅值分布情况与试验结果进行比较研究，据此对水力自动滚筒闸门在今后的设计提供指导。
　　(3)采用数值模拟方法对浸入水中的圆柱壳体进行模态分析，确定圆柱壳体在水中的振动频率及振型分布情况，为水力自动滚筒闸门在未来的合理设计提供依据。
　　主要结论如下：
　　(1)滚筒闸体沿迎水面从圆筒顶部至底部在动水压力作用下振动加速度分布呈先增大后减小再增大的趋势，在圆筒中心线以下振动加速度值最小，在靠近圆筒底部及顶部振动加速度值较大。
　　(2)筒下开度h一定，圆筒表面振动位移幅值随闸体上游水深H的升高而增大。当闸体上游水深在筒顶附近时，圆筒闸体振动位移值最大，随后随上游水位的继续增高而逐渐减小。
　　(3)当闸体上游水深H一定，筒下开度h变化，上游水深在筒顶以上时，圆筒闸体振动幅值随筒下开度的增加主要呈现增大的趋势。而当水面线在筒顶以下时圆筒闸体的振动随筒下开度的增大呈减小的趋势。
　　(4)通过加速度功率谱分析结果确定了圆筒闸体的振动主要表现为低频振动，远离脉动水压的脉动主频f50=，表明筒体结构的模型试验设计是合理的。
　　(5)通过单向及双向流固耦合的比较分析表明，双向流固耦合结果与实测结果更加接近，符合实际情况。最终确定采用双向流固耦合方法进行数值模拟分析。
　　(6)在模拟计算结果中可以看出筒体在动水压力作用下的最大位移主要发生在沿水流方向的筒顶位置。同时在底部的铰接点处应力、应变最大，需要在运行中加以注意。
　　(7)通过模拟计算结果与实验所测定结果的比较，证明了其变化趋势基本吻合，均当圆筒顶部在水面线附近时闸体的振动位移达到最大。
　　(8)通过数值模拟方法进行了圆柱筒体在水中模态的分析，为最终筒体的合理设计提供依据。

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插图和附表清单

1 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 水力自动滚筒闸门的特点

1.4 水中物体受力力学发展研究现状

1.5 计算流体力学发展现状

1.6 气液两相流研究现状

1.7 有限单元法发展现状

1.8 流固耦合发展现状

1.9 水力自动滚筒闸门振动特性的研究方法

1.10 本文研究内容

2 横置于水中圆筒闸体的应力、应变、变形以及流固耦合分析

2.1 横置于水流中圆筒水力学特性

2.2 圆柱壳体弯曲微分方程及其通解

2.3 柱壳体的弹性力学无距计算理论

2.4 圆柱壳体弯曲问题的基本微分方程及解

2.5 圆柱壳在法向荷载下的弯曲

2.6 圆柱壳在任意荷载下的弯曲

2.7 横置圆筒闸体绕流流场湍流计算方法

2.8 流固耦合计算方法

2.9 横置圆筒闸体在动水压力作用下的强度及壁厚确定

2.10 本章小结

3 水力自动滚筒闸门物理模型试验研究

3.1 基本原理

3.2 试验目的

3.3 模型试验设计及试验装置

3.4 试验结果及分析

3.5 本章小结

4 水力自动滚筒闸门的整体有限元法模拟分析

4.1 概述

4.2 研究对象

4.3 横置圆筒绕流流场及圆柱筒体数值计算模型

4.4 计算模型的确定

4.5 计算结果及分析

4.6 本章小结

5 水中横置圆筒振动模态特性研究

5.1 概述

5.2滚筒闸门结构的固有频率分析

5.3 不同工况下圆筒闸门结构的自振分析

5.4 圆筒闸体结构模态分析模拟计算结果

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

作 者 简 介