闸门流激振动及水流流态数值模拟研究

发布时间：2020-03-22 17:24

【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-?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。
【图文】：

2 流体计算及流固耦合基础理论计算精度也越高。当步长比较小时，即使不进行迭代也可保证计算的精度。2.2 湍流数值模拟方法流体力学基本方程组描述层流运动时是封闭的，描述湍流运动时，由于采用了时均方法致使方程不再封闭，必须补充新的方程（即湍流模型）才能求解。目前，湍流数值模拟方法主要分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法两大类[52]。非直接数值模拟方法经过细分，又可分为大涡模拟、雷诺平均法和统计平均法。湍流数值模拟法的具体分类图见图 2.1。雷诺平均法是当前应用最为广泛的湍流数值模拟方法。它的核心是求解时均化的 Reynolds 方程，而避免直接求解瞬时的 Navier-Stoke 方程，这样不仅减少了计算量，而且可以取得较好的工程实际应用结果。

图 2.2 流固耦合求解流程2.6.4 流固耦合中的数据传递弱耦合中流场和结构场是分别求解，通过耦合面传递数据的。流场和结构场内的网格是单独划分的，因此耦合面上的网格不能实现一一对应。这导致流场节点上的数据不能直接传递到结构场的节点上，，需要通过插值算法来实现流场和结构场网格间的数据传递。此时可引入一个与流场和结构场有限元模型节点都相关联的矩阵，来实现数据的传递。1.压力数据传递假设流体耦合面上有fn 个节点，结构场耦合面上有sn 个节点，流体耦合面上的节点压力为fP ，用矩阵形式描述为： fnfffPPPP 21（2.22）
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV663;TV135

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本文编号：2595374