基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，根据水工钢闸门结构特点，建立了前后流道的水体有限元模型和钢闸门固体有限元模型，基于ADINA有限元分析软件，对前后流道的水体有限元模型和钢闸门固体有限元模型先后进行了流体力学计算和固体力学计算，并从定性和定量的角度对水工钢闸门结构安全进行整体评价。本发明专利技术针对目前水工钢闸门流激振动计算分析中存在的问题，提出了一种基于大涡模拟的数值模拟分析方法，该方法不仅能捕捉高速水流下小尺度涡的脱落，还能有效解决物理模型试验相似比尺难确定以及造价昂贵等缺点，可为水工钢闸门的设计和运行提供相应的依据和参考。

【技术实现步骤摘要】
基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法
本专利技术涉及一种水工钢闸门流激振动分析方法，具体涉及一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法。
技术介绍
闸门作为活动的挡水结构，是泄水以及引水等建筑物中重要的组成部分其功能调节上下游水位、泄水、放运船只、木筏、竹筏以及排除淤沙、漂浮物等作用，保障水利枢纽安全运行，兼顾防洪、灌溉、通航以及引水发电的效益。闸门的分类较多，按照闸门的工作性质可以分为工作闸门、检修闸门和事故闸门；按照闸门的形状可以分为平面闸门、弧形闸门、人字闸门、拱形闸门、球形闸门和圆筒闸门等。目前，在各种类型的闸门中钢闸门居多，运用较为广泛的是平面钢闸门和弧形钢闸门，特别是事故闸门中多采用了平面钢闸门的型式。闸门在运行过程中必然存在水流和闸门的相互作用，水流作用于闸门引起闸门的振动，反过来闸门的振动又影响了周围流场的分布，这种现象被称为流激振动。闸门流激振动是一种激起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现象。研究发现，国内外大量的闸门失事都是由于流激振动引起的，如四川狮子滩水电站泄洪洞定轮工作闸门采用平底止水，工程建成后第一次下闸蓄水时，闸门发生强烈振动，闸门在起闭过程中振动仍然十分强烈，提门约一分钟后，振动减弱，但是该闸门不能做局部开启；刘家峡水电站泄水道闸门于1969年夏正式投入使用之后发现存在强烈振动，通过观测发现闸门不仅整体振动很大，而且门也结构应力也很大，对闸门构成潜在的破坏因素，经研究发现闸门止水不良引起了闸门的流激振动；美国帮捏威尔溢流坝14米高的平板闸门在小开度时发生强烈的自激振动；巴克莱坝15.2m*16.8m弧形闸门在小开度时发生30Hz的强烈振动；哈伦夫奈特弧形闸门局部开启时发生振幅2mm、频率2.5Hz振动；日本某表孔户型闸门在试运行时突然发生破坏，整个支臂的排架失稳屈曲，支撑被拉断，闸门被冲到下游130m处。闸门的损坏甚至失事，不仅会导致水资源的浪费，严重的会影响到整个枢纽运行的安全可靠性。上述流激振动实例中虽然闸门形式不同，振动原因不同，但是诱发闸门振动的机理类似，然而目前为止，这种流激振动机理至今还未被人们所掌握。有学者用涡激振动理论研究闸门流激振动，但很多时候闸门振动时并未观察到卡门涡街现象，闸门只有在一定的开度和一定的折算流速情况下才会出现涡激振动现象，因此不能完全用涡激振动理论解释流体诱发闸门振动；有学者用驰振理论进行解释，然而闸门小开度下流激振动也不符合驰振理论的基本假设，因此也不能完全用驰振理论解释闸门流激振动现象。闸门流激振动过程是典型的流固耦合现象，也即流体和固体有强烈的耦合作用，单一的学科已经不能满足要求。针对钢闸门流激振动机理的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性，为保证钢闸门在复杂水流状态下正常运行，有必要对水工钢闸门结构流激振动问题进行分析，但是目前分析不准确不全面，不能满足需求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，解决目前水工钢闸门流激振动分析不准确以及不全面的问题。技术方案：本专利技术所述的基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，包括以下步骤：(1)根据钢闸门和钢闸门前后流道的具体尺寸，分别建立钢闸门固体有限元模型和前后流道的水体有限元模型；(2)将建立的前后流道水体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，选择标准Smagorinsky大涡模型，输入预设的材料参数、边界条件和流速，基于ADINA有限元分析软件进行流体力学计算，得到高速水流下钢闸门各位置处的脉动压力；(3)对步骤(2)得到的脉动压力进行傅里叶变化，得到钢闸门各位置处脉动压力的主频；(4)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，采用势流体单元模拟钢闸门前后水体动水压力作用，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门结果进行自振特性分析，得到钢闸门结构的各阶自振频率和振型；(5)将步骤(3)中得到的钢闸门各位置处脉动压力主频与步骤(4)中得到的钢闸门结构第一阶自振频率进行对比，根据比对结果判定是否存在共振的可能性；(6)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，将步骤(2)中得到的钢闸门各位置处的脉动压力作为已知荷载，施加到钢闸门固体有限元模型中，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门固体有限元模型进行动力计算，得到钢闸门的位移响应和应力响应，根据位移响应结果判断钢闸门最大挠度是否超过要求，根据应力响应结果判断钢闸门最大拉应力是否超过其抗拉容许应力；(7)根据步骤(5)和(6)的结果判定高速水流下钢闸门结构安全性。其中，所述步骤(1)中固体有限元模型采用势流体单元模拟钢闸门前后附加脉动压力作用，前后流道的水体有限元模型中钢闸门附近水体网格尺度要足够密，网格拉伸率要小于1.1。所述步骤(2)中的材料参数为重力加速度、水体密度、粘度、普朗特常数和亚格子模型常数。所述步骤(2)中，标准Smagorinsky大涡模型中亚格子应力为式中，τij为亚格子应力，表示湍流中尺度小于过滤尺度的湍流作用；τkk为亚格子湍流动能；为剪切变形张量；νt为亚格子湍流黏度；δij为单位张量；对于νt，应满足如下方程：ls＝CsΔ其中，ls为亚格子涡尺度；Cs为模型常数；Δ为大涡模型的过滤尺度；Δx，Δy，Δz为计算网格在x，y，z方向上的尺度；另外，流场入口处施加来流速度边界条件，上部和下部以及与钢闸门接触部位施加固壁边界，出口处施加边界条件，使得自由出流。所述步骤(4)中，采用势流体单元模拟钢闸门前后水体动水压力作用，其控制方程如下：式中，P代表动水压力，c为水中声波波速，为拉普拉斯算子，为动水压力对时间的二阶导数，同时在水体和钢闸门之间设置流固耦合边界，以此来模拟水体和钢闸门之间的能量传递，具体如下：式中，n为流固耦合面上流体域的外法线方向；为流固耦合面上沿法向的绝对加速度；ρ为水体密度。所述步骤(5)中，根据钢闸门各位置处脉动压力主频在钢闸门结构第一阶自振频率数值上下浮动是否在10％的浮动区间内判定是否可能发生共振。所述步骤(6)中，在对钢闸门进行动力计算时将水体视为均匀、无粘滞性、无旋的势流体，采用基于广义Newmark-β法的整体求解方法对系统有限元方程组进行逐步时间积分，求得钢闸门在脉动水压力作用下的动力响应，其中，流固耦合系统有限元方程组为：式中，M为钢闸门质量矩阵；D为钢闸门阻尼矩阵，采用瑞利比例阻尼假定D＝αM+βK，α、β为瑞利比例阻尼系数；K为钢闸门刚度矩阵；u、分别为钢闸门位移向量、速度向量和加速度向量；P为闸前后动水压力；ρ表示水体密度；F0为作用于钢闸门上的脉动压力；G是流体的质量矩阵；Q是流体的刚度矩阵；H是流体的阻尼矩阵；S是流固耦合系数矩阵；ST是流固耦合系数矩阵的转置矩阵。有益效果：本专利技术针对目前水工钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)根据钢闸门和钢闸门前后流道的具体尺寸，分别建立钢闸门固体有限元模型和前后流道的水体有限元模型；/n(2)将建立的前后流道水体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，选择标准Smagorinsky大涡模型，输入预设的材料参数、边界条件和流速，基于ADINA有限元分析软件进行流体力学计算，得到高速水流下钢闸门各位置处的脉动压力；/n(3)对步骤(2)得到的脉动压力进行傅里叶变化，得到钢闸门各位置处脉动压力的主频；/n(4)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，采用势流体单元模拟钢闸门前后水体动水压力作用，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门结果进行自振特性分析，得到钢闸门结构的各阶自振频率和振型；/n(5)将步骤(3)中得到的钢闸门各位置处脉动压力主频与步骤(4)中得到的钢闸门结构第一阶自振频率进行对比，根据比对结果判定是否存在共振的可能性；/n(6)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，将步骤(2)中得到的钢闸门各位置处的脉动压力作为已知荷载，施加到钢闸门固体有限元模型中，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门固体有限元模型进行动力计算，得到钢闸门的位移响应和应力响应，根据位移响应结果判断钢闸门最大挠度是否超过要求，根据应力响应结果判断钢闸门最大拉应力是否超过其抗拉容许应力；/n(7)根据步骤(5)和(6)的结果判定高速水流下钢闸门结构安全性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据钢闸门和钢闸门前后流道的具体尺寸，分别建立钢闸门固体有限元模型和前后流道的水体有限元模型；
(2)将建立的前后流道水体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，选择标准Smagorinsky大涡模型，输入预设的材料参数、边界条件和流速，基于ADINA有限元分析软件进行流体力学计算，得到高速水流下钢闸门各位置处的脉动压力；
(3)对步骤(2)得到的脉动压力进行傅里叶变化，得到钢闸门各位置处脉动压力的主频；
(4)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，采用势流体单元模拟钢闸门前后水体动水压力作用，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门结果进行自振特性分析，得到钢闸门结构的各阶自振频率和振型；
(5)将步骤(3)中得到的钢闸门各位置处脉动压力主频与步骤(4)中得到的钢闸门结构第一阶自振频率进行对比，根据比对结果判定是否存在共振的可能性；
(6)将步骤(1)建立的钢闸门固体有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中，将步骤(2)中得到的钢闸门各位置处的脉动压力作为已知荷载，施加到钢闸门固体有限元模型中，输入预设的材料参数和边界条件，对钢闸门固体有限元模型进行动力计算，得到钢闸门的位移响应和应力响应，根据位移响应结果判断钢闸门最大挠度是否超过要求，根据应力响应结果判断钢闸门最大拉应力是否超过其抗拉容许应力；
(7)根据步骤(5)和(6)的结果判定高速水流下钢闸门结构安全性。


2.根据权利要求1所述的基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中固体有限元模型采用势流体单元模拟钢闸门前后附加脉动压力作用，前后流道的水体有限元模型中钢闸门附近水体网格尺度要足够密，网格拉伸率要小于1.1。


3.根据权利要求1所述的基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中的材料参数为重力加速度、水体密度、粘度、普朗特常数和亚格子模型常数。


4.根据权利要求1所述的基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，标准Smagorinsky大涡模型中亚格子应力为



式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭博文，鲁立三，高玉琴，宋力，王荆，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南;41