平板闸门垂向流激振动特性与数值计算研究

摘要

闸门是用于关闭和开放泄水通道的控制设施,是水工建筑物的重要组成部分。当平板闸门上下游存在水位差且开度较小时,在一定的折算流速范围内闸门会发生自激振动,闸门自激振动是一种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作用。长期在振动中运行容易引起闸门的疲劳损伤,而且在某种条件下这种流激振动会相当强烈以至于产生闸门共振和失稳。
　　本文从数学模型和数值模拟两个方面研究了平面闸门垂向自激振动和机理,并对闸门垂向自激振动稳定性进行了研究,提出了垂向闸门自激振动稳定性指标。
　　首先从涡激振动出发,考虑漩涡主要激励作用下闸门的垂向自激振动,通过改进尾流振子数学模型研究了涡致闸门垂向自激振动,改进的尾流振子数学模型的优点是经验参数少,预测精度高,并且通过在模型中引入附加质量项,同时把附加阻尼项分为流体粘性阻尼和负阻尼项,使得模型能很好的反映闸门自激振动的稳态响应,这样就大大的增强了数学模型的精度,改进的尾流方程能很好的反应涡致闸门自激振动中闸门在共振区的流激响应特性,计算值和实验值吻合较好,所反应的闸门共振区的特性和实验结果也一致。
　　其次按照平面闸门垂向振动机理把平面闸门垂向自激振动分为两类:流量系数及流体惯性引发振动和驰振引发振动,分别对两垂向振动稳定性进行研究,重点考察了Scruton数对闸门振动稳定性的影响,最后分别对两种自激振动提出了关于Scruton数的稳定性指标。
　　最后用数值计算方法研究了闸门垂向自激振动,计算采用有限体积方法,在流体计算中引入了大涡模拟湍流模型,在结构计算中引入了基于Newmark HHT方法的隐式动力分析模型。在网格划分处理上采用了基于网格重叠技术的Immersed Solid FSI技术。计算了不同开度和折算流速下闸门的垂向自激振动相应,计算结果和实验结果吻合。通过数值模拟结果进一步分析了闸门垂向自激振动机理,指出闸门增加闸门刚度和密度是减小闸门自激振动可能性的有效方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究方法

1.3 平面闸门垂向流激振动研究概述

1.4 本文所做的工作

第二章 平面闸门垂向流激振动机理研究

2.1 闸门流激振动影响参数

2.2 涡致闸门垂向振动分析

2.3 水流诱发振动的分类

2.4 平面闸门垂向流激振动机理

2.5 本章小结

第三章 涡致闸门垂向振动概化模型

3.1 涡激振动及影响参数

3.2 尾流振子模型

3.3 用改进尾流振子模型研究涡致闸门垂向振动

3.4 本章结论

第四章 闸门垂向振动稳定性研究

4.1 平面闸门垂向自激振动激励与失稳

4.2 平面闸门垂向自激振动稳定性的影响因素

4.3 流量脉动和流体惯性机制下闸门稳定性

4.4 驰振机制下闸门振动稳定性

4.5 本章结论

第五章 闸门垂向振动数值模拟

5.1 湍流数值模拟方法

5.2 闸门垂向自激振动二维大涡物理模型

5.3 闸门垂向自激振动结构动力模型

5.4 闸门垂向振动数值模拟网格划分和耦合边界处理

5.5 闸门垂向振动算例验证

5.6 闸门相对开度对闸门垂向流激振动的影响

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文情况

致谢