一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，属于船闸水力学技术领域。基于FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）控制一字闸门启闭动态过程，通过建立船闸一字闸门、门库区域及闸室三维数学模型实现船闸一字闸门启闭过程动水阻力矩数值模拟。本发明专利技术提出的一字闸门动水阻力矩数值模拟方法具有良好精度，为快速、方便获取一字闸门启闭动水阻力矩提供可能，可应用于船闸一字闸门动水阻力矩确定、启闭力确定、启闭机容量设计、门库边界条件优化等，解决了物理模型试验研究手段费时费力等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，属于船闸水力学

技术介绍
高水头、大淹没水深条件下的闸门启闭动力特性一直是大型船闸建设和研究领域关注的重要课题，其中一字闸门这一船闸闸门的门型对于山区河流船闸闸门工作水头大、通航水位变幅大、航宽窄等运行条件中具有特殊的优势。然而，随着船闸闸门淹没水深的增大，水流现象将变得日益复杂，水动力学问题将更为棘手，启闭过程门前后水位差及门头附近旋涡将会使闸门启闭过程承受动水阻力作用明显增加，对闸门结构设计、门库体型布置、启闭机容量设计、启闭机运行方式提出了挑战，因此针对“高宽比”较大的一字闸门开展水动力特性及动水阻力矩研究，具有重要的理论意义和实用价值。目前船闸一字闸门动水阻力矩研究主要采用物理模型试验和原型观测研究，物理模型试验通过对船闸闸门水动力荷载及流态特性的测试分析，解决了许多高水头船闸闸门启闭机设计等问题，但研究对象为特定工程船闸闸门，难以深入研究水动力特性的各种影响因素，不便于进行广泛推广应用。原型观测中对于反映流场特征的数据获取，受到观测时间、运行条件、技术水平等条件限制，测量数据组次有限，无法全面了解水动力荷载的分布特性及绕闸水流结构，不利于深入研究的开展，其观测结果与泥沙淤积、波浪、风、闸门安装精度、驱动电机及闸门弹性系统特性、船闸输水水力特性、引航道非恒定流及枢纽运行等影响因素有关，具有随机性，难以定量分析。另外，物理模型试验和原型观测研究均需消耗大量人力物力，因此急需一种高效准确模拟船闸一字闸门启闭过程动水阻力矩数值的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，针对现有技术中物理模型试验和原型观测研究等技术手段费时费力的问题，提供一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，该方法可以准确确定船闸一字闸门的启闭力并可以辅助优化启闭机容量的设计和门库边界等。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，包括以下步骤：第一步、根据所需模拟一字闸门的实际工程布置尺寸，以所述一字闸门的旋转轴方向为Z轴绘制一字闸门、门库边界及闸室的三维几何模型；第二步、对第一步生成的一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分，并设置网格的边界类型，其中闸室顶面的边界设置为压力边界，所述一字闸门各侧面的边界设置为运动边界，其他所需边界设置为壁面边界；第三步、将第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中；第四步、采用Realizablek-ε湍流模型模拟所述一字闸门旋转启闭过程中的水体流动状态，从而得到紊流控制方程；采用两相流VOF模型模拟船闸处的自由液面，并设定空气为主相、水为第二相；第五步、设定所述一字闸门的运动角速度ω(t)如下式所示：ω(t)=(a0+l)dldtbcsin(β0+βi)]]>式中，t为所述一字闸门的旋转时间，l为启闭机的活塞杆运行行程，βi为所述一字闸门的旋转角度，a0为所述一字闸门全开时启闭机旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，b为所述一字闸门旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，c为启闭机旋转轴到所述一字闸门旋转轴的距离，β0为所述一字闸门全开时活塞杆与所述一字闸门连接处同所述一字闸门旋转轴的连线与启闭机旋转轴同所述一字闸门旋转轴的连线之间的夹角；第六步、将所述一字闸门的淹没水深、大气压力作为初始条件，并设定所述一字闸门的Z轴方向受重力作用，所述一字闸门启闭时为静水过程启闭；根据第二步设定的边界条件、第四步中模拟的自由液面以及第五步中设定的所述一字闸门的运动角速度一字闸门，对第四步得到的紊流控制方程进行求解，得到所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力；对所述紊流控制方程求解时,首先采用有限体积法对所述紊流控制方程按剖分后的网格进行离散处理,从而得到一个代数方程组,利用第二步设定的边界条件使该代理方程组封闭,然后对该代数方程组求解；第七步、根据所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力，就可以计算出所述一字闸门在旋转过程中任一时刻的动水阻力矩数值。需要说明的是，本专利技术中第三步找到所需边界为现有技术，本领域技术人员可以很容易地根据工程实际找到所需的边界，因此第三步中所述“其他所需边界”为确定的范围，不再赘述。本专利技术带来的有益效果是：本专利技术基于FLUENT流体计算平台，通过控制一字闸门启闭动态过程，建立船闸一字闸门、门库区域及闸室三维数学模型，实现船闸一闸门启闭过程动水阻力矩数值模拟，可以快速、方便地获取一字闸门启闭动水阻力矩，能够为船闸一字闸门启闭力确定、启闭机容量设计、门库边界条件优化等提供重要参考依据，可应用于船闸一字闸门启闭非恒定流过程研究，解决了物理模型试验研究手段费时费力等问题。本专利技术克服了现有船闸一字闸门动水阻力矩研究主要采用物理模型试验和原型观测的缺陷，无需消耗大量人力物力，不受观测时间、运行条件、技术水平等条件限制，不但便于进行广泛推广应用，而且可以定量分析。为了保证网格质量，第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中后先进行网格检查，确保网格的精度在预设精度范围内且不存在负体积网格，否则返回第二步重新对一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分。为了减化运算，第二步中所述一字闸门各侧面的边界设置为刚体运动。优选的，第六步中采用PISO算法对所述代数方程组求解。PISO算法为现有技术，在处理瞬态问题时具有明显优势，不再赘述。上述技术方案的进一步改进是：第六步中计算水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力时，所述一字闸门在旋转过程中对一字闸门的网格采用2.5D动网格方法结合弹簧光顺法进行重构；并对所述紊流控制方程按重构后的网格进行离散处理。上述技术方案的进一步改进是：第二步中进行网格剖分时，先在三维几何模型的投影面上生成平面二维网格，再将平面二维网格沿投影线方向纵向拉伸为棱柱体网格；其中在生成平面二维网格时，所述门库采用三角形非结构网格，所述闸室采用四边形结构网格。而一字闸门的网格在在旋转过程中会进行重构，在生成平面二维网格时可以有多种选择。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术实施例中一字闸门、闸室及门库的示意图。图2是本专利技术实施例的网格剖分示意图。图3、图4分别是本专利技术实施例中网格重构前、后的对比示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，包括以下步骤：第一步、根据所需模拟一字闸门的实际工程布置尺寸，以所述一字闸门的旋转轴方向为Z轴绘制一字闸门、门库及闸室的三维几何模型；第二步、对第一步生成的一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分，并设置网格的边界类型，其中闸室顶面的边界设置为压力边界，所述一字闸门的边界设置为运动边界，其他所需边界设置为壁面边界；第三步、将第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中；第四步、采用Realizable k‑ε湍流模型模拟所述一字闸门旋转启闭过程中的水体流动状态，从而得到紊流控制方程；采用两相流VOF模型模拟船闸处的自由液面，并设定空气为主相、水为第二相；第五步、设定所述一字闸门的运动角速度ω(t)如下式所示：ω(t)=(a0+l)dldtbc sin(β0+βi)]]>式中，t为所述一字闸门的旋转时间，l为启闭机的活塞杆运行行程，βi为所述一字闸门的旋转角度，a0为所述一字闸门全开时启闭机旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，b为所述一字闸门旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，c为启闭机旋转轴到所述一字闸门旋转轴的距离，β0为所述一字闸门全开时活塞杆与所述一字闸门连接处同所述一字闸门旋转轴的连线与启闭机旋转轴同所述一字闸门旋转轴的连线之间的夹角；第六步、将所述一字闸门的淹没水深、大气压力作为初始条件，并设定所述一字闸门的Z轴方向受重力作用，所述一字闸门启闭时为静水过程启闭；根据第二步设定的边界条件、第四步中模拟的自由液面以及第五步中设定的所述一字闸门的运动角速度一字闸门，对第四步得到的紊流控制方程进行求解，得到所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力；对所述紊流控制方程求解时,首先采用有限体积法对所述紊流控制方程按剖分后的网格进行离散处理,从而得到一个代数方程组,利用第二步设定的边界条件使该代理方程组封闭,然后对该代数方程组求解；第七步、根据所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力，就可以计算出所述一字闸门在旋转过程中任一时刻的动水阻力矩数值。...

【技术特征摘要】
1.一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，包括以下步骤：
第一步、根据所需模拟一字闸门的实际工程布置尺寸，以所述一字闸门的旋转轴方向为
Z轴绘制一字闸门、门库及闸室的三维几何模型；
第二步、对第一步生成的一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分，并设置
网格的边界类型，其中闸室顶面的边界设置为压力边界，所述一字闸门的边界设置为运动边
界，其他所需边界设置为壁面边界；
第三步、将第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中；
第四步、采用Realizablek-ε湍流模型模拟所述一字闸门旋转启闭过程中的水体流动
状态，从而得到紊流控制方程；采用两相流VOF模型模拟船闸处的自由液面，并设定空气为
主相、水为第二相；
第五步、设定所述一字闸门的运动角速度ω(t)如下式所示：
ω(t)=(a0+l)dldtbcsin(β0+βi)]]>式中，t为所述一字闸门的旋转时间，l为启闭机的活塞杆运行行程，βi为所述一字闸门
的旋转角度，a0为所述一字闸门全开时启闭机旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接
处的距离，b为所述一字闸门旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，c为启
闭机旋转轴到所述一字闸门旋转轴的距离，β0为所述一字闸门全开时活塞杆与所述一字闸门
连接处同所述一字闸门旋转轴的连线与启闭机旋转轴同所述一字闸门旋转轴的连线之间的夹
角；
第六步、将所述一字闸门的淹没水深、大气压力作为初始条件，并设定所述一字闸门的Z
轴方向受重力作用，所述一字闸门启闭时为静水过程启闭；
根据第二步设定的边界条件、第四步中模拟的自由液面以及第五步中设定的所述一字闸
门的运动角速度一字闸门，对第四步得到的紊流控制方程进行求解，得到所述一字闸门在旋
转过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云，陈琼，刘本芹，徐新敏，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32