轨道式水力自动闸门水流特性及泄流能力研究
发布时间：2021-01-19 19:14
我国北方一些季节性河流年际变化大,常有年份无洪水出现。在此河流上安装带有启闭设备的闸门则存在设备利用率低的问题,所以依靠水的作用力来实现闸门的自动开启和关闭的水力自动闸门便应运而生。轨道式水力自动闸门是在普通水力自动翻板闸门的基础上,进行创新和改进所形成的一种新型水力自动闸门,相比普通的水力自动闸门,此新型水力自动闸门结构更加简单,运行安全可靠,也不会产生淤积泥沙的问题。但是由于此新型水力自动闸门尚处于初级研发阶段,所以本文对轨道式水力自动闸门进行初步研究,通过模型试验的方法对闸门的水流特性进行分析,包括水流流态、水深、下游流速场和渠道底板时均压强,并通过分析各变量之间的关系来探讨闸门的泄流能力,然后对表征闸门泄流能力的流量系数进行拟合,得到流量系数的影响因素和经验计算公式。最后利用数值模拟的方法对闸门的水流特性进行数值计算,并与模型试验所测得的结果进行对比分析,主要研究成果如下:（1）通过闸门的模型试验发现过闸水流状态比较好,闸前水面平静,闸后水流平稳推进;流速随着渠道向下游的延伸而沿程逐渐减小,各断面分布规律不一;时均压强在渠道底板上的分布规律较为复杂,总体有沿程增大的趋势。（2）...
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
—止水片；2—主轨道；3—次轨道；4—螺钉；5—固定支座；6—连杆；7—闸门主体；8—渠道底板（c）三维视
山东农业大学硕士学位论文7动能保持平衡，这要求作用在闸门上的荷载在X方向和Y方向合力都为0。闸门保持不动，上下游水位保持不变，开度维持稳定，闸门静态工作时的受力情况如图2所示。图2闸门静态时受力图Fig.2Forcediagramwhenthegateisstatic1.3.2.2闸门的动态工作原理轨道式水力自动闸门是依靠门前来水量的变化引起闸前水位的变化，改变后的水位与之前静态工作时的水位有一定的偏差，正是这一偏差所产生的力使原本平衡的力系不再平衡，使得闸门运动。在运动过程中闸下过水的流量的变化使得闸前水位发生变化，当闸前蓄积的水量所产生的作用力使得闸门受力再次平衡，来水和泄水达到平衡时，闸门在新的平衡位置上保持某一开度，闸前水位也达到该平衡位置的预定水位值。这就是轨道式水力自动闸门的过渡过程。为了解释闸门的运行过程，近似的将闸门看成一种自动装置，其根据上游来水量自动调整闸门的开度，我们使用如图4所示的流程图来说明。假设闸门的初始状态是静态的，闸门开度用e表示，此时上游来水量等于下游泄水量，即Q来=Q泄，上下游水位分别用H上和H下表示。当上游有一来水增量ΔQ来时，因为闸门的开度不能迅速调整到某一开度来适应ΔQ来的变化，所以使得上游来水量会大于下游泄水量，即Q来+ΔQ来>Q泄，这样就会在闸门前形成ΔH的水面壅高，从而上游的水流作用在闸门上的力会增大，相应的闸门会受到一上游水压力的增量ΔFp，倘若ΔFp在X方向上的分量大于轨道的最大静摩擦力，闸门的开度就会有一增量Δe，闸门进入全新的状态。此时闸门的开度为e+Δe，相应有一泄量的增量ΔQ泄，当上游来水量不变时，闸门能否保持这个状态达到平衡并维持新的开度和新的上游水位，取决于两个条件：
轨道式水力自动闸门水流特性及泄流能力研究8图4闸门动态工作原理图Fig.4Gatedynamicworkingprinciplediagram（1）来水量和泄水量是否相适应。如果来水量和泄水量相匹配，即Q来+ΔQ来=Q泄+ΔQ泄，也就是ΔQ来=ΔQ泄，此时闸前的壅高ΔH因为开度的变化会产生变化，成为ΔH上，上游水位为H上+ΔH上，这时闸门处于稳定运行状态。如果ΔQ来≠ΔQ泄，闸门的开度不能使得来水量和泄水量相适应，此时闸门还会自动调整开度，闸前的壅高水位ΔH还会继续影响着闸门并重复前面的过程。（2）下游水面的衔接是否合理。当开度增大泄水量增加时，对于泄水量的不同增量，下游就会有相应的不同的水位，就可能会出现不同的水面型式。一般来说，如果闸孔出流为自由出流，闸后的下游水流不会反馈给闸门，不会影响闸门的稳定运行；但如果过流状态是淹没出流或者闸后出现波状水跃，或者孔口出流和淹没出流同时存在，在门顶水舌与孔口出流水面间形成负压区，这都有可能使得紊乱的水流反馈给闸门，影响闸门的泄流，从而影响闸前的水位，进而影响闸门的整个动态工作过程。1.3.3闸门的受力情况1.3.3.1基本平衡方程
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于不同湍流模型的挡板绕流数值模拟[J]. 王军锋,许浩洁. 江苏大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟[J]. 张曙光,尹进步,张根广. 泥沙研究. 2020(01)
[3]浅谈水力液压双控翻板门在航电枢纽工程中的应用分析[J]. 皮爱国,胡云卿. 中国水运(下半月). 2019(09)
[4]某水电站水力自控翻板闸改造设计与闸门启闭力计算[J]. 刘立新. 黑龙江水利科技. 2019(02)
[5]不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟[J]. 唐克东,王旭声,孙留颖. 人民黄河. 2019(02)
[6]水力自控翻板闸在防洪工程中的设计及应用[J]. 张翠清. 农业科技与信息. 2018(22)
[7]自动滚筒闸门脉动压力特性试验研究[J]. 李利荣,王顺. 人民黄河. 2018(11)
[8]白山深孔弧形钢闸门安全性检测与分析[J]. 马建军,袁伟,王绪建,刘浩. 东北水利水电. 2018(10)
[9]基于流态辨识的弧形闸门过流计算[J]. 郭永鑫,汪易森,郭新蕾,胡玮,朱锐. 水利学报. 2018(08)
[10]不同工况下水力自动滚筒闸门流量特性分析[J]. 郭鹏. 水利技术监督. 2017(04)
博士论文
[1]水力自动滚筒闸门振动特性的试验研究及数值模拟[D]. 李昊.内蒙古农业大学 2013
[2]高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D]. 章晋雄.中国水利水电科学研究院 2013
硕士论文
[1]巴利尔斯水电站泄水建筑物水工模型试验与数值模拟研究[D]. 黄智文.西安理工大学 2019
[2]多孔溢洪道水力特性模型试验及数值模拟研究[D]. 宁景昊.西安理工大学 2018
[3]直立式溢流连拱坝过流能力及水流特性研究[D]. 刘昱辰.山东农业大学 2018
[4]底横轴翻转闸门静力学与动力学特性分析[D]. 杨超.安徽建筑大学 2017
[5]淤沙对水力自控翻板闸门的影响研究[D]. 侯莹.西北农林科技大学 2016
[6]水力自动滚筒闸门的水力特性研究[D]. 许韬.西北农林科技大学 2015
[7]多泥沙河流水力自控翻板闸门数值模拟及应用研究[D]. 吴培军.新疆农业大学 2011
[8]平板闸门小开度流量系数研究与闸后水流数值模拟分析[D]. 毛舒娅.昆明理工大学 2011
[9]水力自动翻板门水动力荷载数值模拟[D]. 李树宁.天津大学 2009
[10]新型水力自控闸门动水压力的研究[D]. 刘艳林.内蒙古农业大学 2008
本文编号：2987560
【文章来源】：山东农业大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
—止水片；2—主轨道；3—次轨道；4—螺钉；5—固定支座；6—连杆；7—闸门主体；8—渠道底板（c）三维视
山东农业大学硕士学位论文7动能保持平衡，这要求作用在闸门上的荷载在X方向和Y方向合力都为0。闸门保持不动，上下游水位保持不变，开度维持稳定，闸门静态工作时的受力情况如图2所示。图2闸门静态时受力图Fig.2Forcediagramwhenthegateisstatic1.3.2.2闸门的动态工作原理轨道式水力自动闸门是依靠门前来水量的变化引起闸前水位的变化，改变后的水位与之前静态工作时的水位有一定的偏差，正是这一偏差所产生的力使原本平衡的力系不再平衡，使得闸门运动。在运动过程中闸下过水的流量的变化使得闸前水位发生变化，当闸前蓄积的水量所产生的作用力使得闸门受力再次平衡，来水和泄水达到平衡时，闸门在新的平衡位置上保持某一开度，闸前水位也达到该平衡位置的预定水位值。这就是轨道式水力自动闸门的过渡过程。为了解释闸门的运行过程，近似的将闸门看成一种自动装置，其根据上游来水量自动调整闸门的开度，我们使用如图4所示的流程图来说明。假设闸门的初始状态是静态的，闸门开度用e表示，此时上游来水量等于下游泄水量，即Q来=Q泄，上下游水位分别用H上和H下表示。当上游有一来水增量ΔQ来时，因为闸门的开度不能迅速调整到某一开度来适应ΔQ来的变化，所以使得上游来水量会大于下游泄水量，即Q来+ΔQ来>Q泄，这样就会在闸门前形成ΔH的水面壅高，从而上游的水流作用在闸门上的力会增大，相应的闸门会受到一上游水压力的增量ΔFp，倘若ΔFp在X方向上的分量大于轨道的最大静摩擦力，闸门的开度就会有一增量Δe，闸门进入全新的状态。此时闸门的开度为e+Δe，相应有一泄量的增量ΔQ泄，当上游来水量不变时，闸门能否保持这个状态达到平衡并维持新的开度和新的上游水位，取决于两个条件：
轨道式水力自动闸门水流特性及泄流能力研究8图4闸门动态工作原理图Fig.4Gatedynamicworkingprinciplediagram（1）来水量和泄水量是否相适应。如果来水量和泄水量相匹配，即Q来+ΔQ来=Q泄+ΔQ泄，也就是ΔQ来=ΔQ泄，此时闸前的壅高ΔH因为开度的变化会产生变化，成为ΔH上，上游水位为H上+ΔH上，这时闸门处于稳定运行状态。如果ΔQ来≠ΔQ泄，闸门的开度不能使得来水量和泄水量相适应，此时闸门还会自动调整开度，闸前的壅高水位ΔH还会继续影响着闸门并重复前面的过程。（2）下游水面的衔接是否合理。当开度增大泄水量增加时，对于泄水量的不同增量，下游就会有相应的不同的水位，就可能会出现不同的水面型式。一般来说，如果闸孔出流为自由出流，闸后的下游水流不会反馈给闸门，不会影响闸门的稳定运行；但如果过流状态是淹没出流或者闸后出现波状水跃，或者孔口出流和淹没出流同时存在，在门顶水舌与孔口出流水面间形成负压区，这都有可能使得紊乱的水流反馈给闸门，影响闸门的泄流，从而影响闸前的水位，进而影响闸门的整个动态工作过程。1.3.3闸门的受力情况1.3.3.1基本平衡方程
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于不同湍流模型的挡板绕流数值模拟[J]. 王军锋,许浩洁. 江苏大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟[J]. 张曙光,尹进步,张根广. 泥沙研究. 2020(01)
[3]浅谈水力液压双控翻板门在航电枢纽工程中的应用分析[J]. 皮爱国,胡云卿. 中国水运(下半月). 2019(09)
[4]某水电站水力自控翻板闸改造设计与闸门启闭力计算[J]. 刘立新. 黑龙江水利科技. 2019(02)
[5]不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟[J]. 唐克东,王旭声,孙留颖. 人民黄河. 2019(02)
[6]水力自控翻板闸在防洪工程中的设计及应用[J]. 张翠清. 农业科技与信息. 2018(22)
[7]自动滚筒闸门脉动压力特性试验研究[J]. 李利荣,王顺. 人民黄河. 2018(11)
[8]白山深孔弧形钢闸门安全性检测与分析[J]. 马建军,袁伟,王绪建,刘浩. 东北水利水电. 2018(10)
[9]基于流态辨识的弧形闸门过流计算[J]. 郭永鑫,汪易森,郭新蕾,胡玮,朱锐. 水利学报. 2018(08)
[10]不同工况下水力自动滚筒闸门流量特性分析[J]. 郭鹏. 水利技术监督. 2017(04)
博士论文
[1]水力自动滚筒闸门振动特性的试验研究及数值模拟[D]. 李昊.内蒙古农业大学 2013
[2]高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D]. 章晋雄.中国水利水电科学研究院 2013
硕士论文
[1]巴利尔斯水电站泄水建筑物水工模型试验与数值模拟研究[D]. 黄智文.西安理工大学 2019
[2]多孔溢洪道水力特性模型试验及数值模拟研究[D]. 宁景昊.西安理工大学 2018
[3]直立式溢流连拱坝过流能力及水流特性研究[D]. 刘昱辰.山东农业大学 2018
[4]底横轴翻转闸门静力学与动力学特性分析[D]. 杨超.安徽建筑大学 2017
[5]淤沙对水力自控翻板闸门的影响研究[D]. 侯莹.西北农林科技大学 2016
[6]水力自动滚筒闸门的水力特性研究[D]. 许韬.西北农林科技大学 2015
[7]多泥沙河流水力自控翻板闸门数值模拟及应用研究[D]. 吴培军.新疆农业大学 2011
[8]平板闸门小开度流量系数研究与闸后水流数值模拟分析[D]. 毛舒娅.昆明理工大学 2011
[9]水力自动翻板门水动力荷载数值模拟[D]. 李树宁.天津大学 2009
[10]新型水力自控闸门动水压力的研究[D]. 刘艳林.内蒙古农业大学 2008
本文编号：2987560
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