一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的數(shù)值模擬方法，屬于船閘水力 學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高水頭、大淹沒水深條件下的閘門啟閉動力特性一直是大型船閘建設(shè)和研究領(lǐng)域 關(guān)注的重要課題，其中一字閘門這一船閘閘門的門型對于山區(qū)河流船閘閘門工作水頭大、 通航水位變幅大、航寬窄等運(yùn)行條件中具有特殊的優(yōu)勢。然而，隨著船閘閘門淹沒水深的增 大，水流現(xiàn)象將變得日益復(fù)雜，水動力學(xué)問題將更為棘手，啟閉過程門前后水位差及門頭附 近旋渦將會使閘門啟閉過程承受動水阻力作用明顯增加，對閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計、門庫體型布置、 啟閉機(jī)容量設(shè)計、啟閉機(jī)運(yùn)行方式提出了挑戰(zhàn)，因此針對"高寬比"較大的一字閘門開展水 動力特性及動水阻力矩研究，具有重要的理論意義和實(shí)用價值。
[0003] 目前船閘一字閘門動水阻力矩研究主要采用物理模型試驗和原型觀測研究，物理 模型試驗通過對船閘閘門水動力荷載及流態(tài)特性的測試分析，解決了許多高水頭船閘閘門 啟閉機(jī)設(shè)計等問題，但研究對象為特定工程船閘閘門，難以深入研究水動力特性的各種影 響因素，不便于進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。原型觀測中對于反映流場特征的數(shù)據(jù)獲取，受到觀測時 間、運(yùn)行條件、技術(shù)水平等條件限制，測量數(shù)據(jù)組次有限，無法全面了解水動力荷載的分布 特性及繞閘水流結(jié)構(gòu)，不利于深入研究的開展，其觀測結(jié)果與泥沙淤積、波浪、風(fēng)、閘門安裝 精度、驅(qū)動電機(jī)及閘門彈性系統(tǒng)特性、船閘輸水水力特性、引航道非恒定流及樞紐運(yùn)行等影 響因素有關(guān)，具有隨機(jī)性，難以定量分析。另外，物理模型試驗和原型觀測研究均需消耗大 量人力物力，因此急需一種高效準(zhǔn)確模擬船閘一字閘門啟閉過程動水阻力矩數(shù)值的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，針對現(xiàn)有技術(shù)中物理模型試驗 和原型觀測研究等技術(shù)手段費(fèi)時費(fèi)力的問題，提供一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的 數(shù)值模擬方法，該方法可以準(zhǔn)確確定船閘一字閘門的啟閉力并可以輔助優(yōu)化啟閉機(jī)容量的 設(shè)計和門庫邊界等。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種船閘一字閘門啟閉時動 水阻力矩的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：
[0006] 第一步、根據(jù)所需模擬一字閘門的實(shí)際工程布置尺寸，以所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)軸 方向為Z軸繪制一字閘門、門庫邊界及閘室的三維幾何模型；
[0007] 第二步、對第一步生成的一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并 設(shè)置網(wǎng)格的邊界類型，其中閘室頂面的邊界設(shè)置為壓力邊界，所述一字閘門各側(cè)面的邊界 設(shè)置為運(yùn)動邊界，其他所需邊界設(shè)置為壁面邊界；
[0008] 第三步、將第二步中生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到液體計算平臺FLUENT中；
[0009]第四步、采用Realizable k-ε湍流模型模擬所述一字閘門旋轉(zhuǎn)啟閉過程中的水體 流動狀態(tài)，從而得到紊流控制方程;采用兩相流VOF模型模擬船閘處的自由液面，并設(shè)定空 氣為主相、水為第二相；
[0010]第五步、設(shè)定所述一字閘門的運(yùn)動角速度《(t)如下式所示：
[0011]
[0012] 式中，t為所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)時間，1為啟閉機(jī)的活塞桿運(yùn)行行程，隊為所述一字 閘門的旋轉(zhuǎn)角度，ao為所述一字閘門全開時啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸到啟閉機(jī)的活塞桿與所述一字閘 門連接處的距離，b為所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸到啟閉機(jī)的活塞桿與所述一字閘門連接處的距 離，c為啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸到所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸的距離，為所述一字閘門全開時活塞桿與所 述一字閘門連接處同所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸的連線與啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸 的連線之間的夾角；
[0013] 第六步、將所述一字閘門的淹沒水深、大氣壓力作為初始條件，并設(shè)定所述一字閘 門的Ζ軸方向受重力作用，所述一字閘門啟閉時為靜水過程啟閉；
[0014]根據(jù)第二步設(shè)定的邊界條件、第四步中模擬的自由液面以及第五步中設(shè)定的所述 一字閘門的運(yùn)動角速度一字閘門，對第四步得到的紊流控制方程進(jìn)行求解，得到所述一字 閘門在旋轉(zhuǎn)過程中水流對所述一字閘門表面上任一點(diǎn)的水壓力和粘滯力；
[0015] 對所述紊流控制方程求解時，首先采用有限體積法對所述紊流控制方程按剖分后 的網(wǎng)格進(jìn)行離散處理，從而得到一個代數(shù)方程組，利用第二步設(shè)定的邊界條件使該代理方 程組封閉，然后對該代數(shù)方程組求解；
[0016] 第七步、根據(jù)所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中水流對所述一字閘門表面上任一點(diǎn)的水 壓力和粘滯力，就可以計算出所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中任一時刻的動水阻力矩數(shù)值。
[0017] 需要說明的是，本發(fā)明中第三步找到所需邊界為現(xiàn)有技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 很容易地根據(jù)工程實(shí)際找到所需的邊界，因此第三步中所述"其他所需邊界"為確定的范 圍，不再贅述。
[0018] 本發(fā)明帶來的有益效果是：本發(fā)明基于FLUENT流體計算平臺，通過控制一字閘門 啟閉動態(tài)過程，建立船閘一字閘門、門庫區(qū)域及閘室三維數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)船閘一閘門啟閉過 程動水阻力矩數(shù)值模擬，可以快速、方便地獲取一字閘門啟閉動水阻力矩，能夠為船閘一字 閘門啟閉力確定、啟閉機(jī)容量設(shè)計、門庫邊界條件優(yōu)化等提供重要參考依據(jù)，可應(yīng)用于船閘 一字閘門啟閉非恒定流過程研究，解決了物理模型試驗研究手段費(fèi)時費(fèi)力等問題。本發(fā)明 克服了現(xiàn)有船閘一字閘門動水阻力矩研究主要采用物理模型試驗和原型觀測的缺陷，無需 消耗大量人力物力，不受觀測時間、運(yùn)行條件、技術(shù)水平等條件限制，不但便于進(jìn)行廣泛推 廣應(yīng)用，而且可以定量分析。
[0019] 為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，第二步中生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到液體計算平臺FLUENT中后先進(jìn)行 網(wǎng)格檢查，確保網(wǎng)格的精度在預(yù)設(shè)精度范圍內(nèi)且不存在負(fù)體積網(wǎng)格，否則返回第二步重新 對一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。
[0020] 為了減化運(yùn)算，第二步中所述一字閘門各側(cè)面的邊界設(shè)置為剛體運(yùn)動。
[0021] 優(yōu)選的，第六步中采用PIS0算法對所述代數(shù)方程組求解。PIS0算法為現(xiàn)有技術(shù)，在 處理瞬態(tài)問題時具有明顯優(yōu)勢，不再贅述。
[0022] 上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是:第六步中計算水流對所述一字閘門表面上任一點(diǎn) 的水壓力和粘滯力時，所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中對一字閘門的網(wǎng)格采用2. f5D動網(wǎng)格方法 結(jié)合彈簧光順法進(jìn)行重構(gòu);并對所述紊流控制方程按重構(gòu)后的網(wǎng)格進(jìn)行離散處理。
[0023] 上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是:第二步中進(jìn)行網(wǎng)格剖分時，先在三維幾何模型的 投影面上生成平面二維網(wǎng)格，再將平面二維網(wǎng)格沿投影線方向縱向拉伸為棱柱體網(wǎng)格;其 中在生成平面二維網(wǎng)格時，所述門庫采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所述閘室采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格。而一字閘門的網(wǎng)格在在旋轉(zhuǎn)過程中會進(jìn)行重構(gòu)，在生成平面二維網(wǎng)格時可以有多種選 擇。
【附圖說明】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中一字閘門、閘室及門庫的示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的網(wǎng)格剖分示意圖。
[0027] 圖3、圖4分別是本發(fā)明實(shí)施例中網(wǎng)格重構(gòu)前、后的對比示意圖。
[0028] 圖5為開啟一字閘門時本實(shí)施例中動水阻力矩數(shù)模計算值與物模實(shí)測值對比。
[0029] 圖6為關(guān)閉一字閘門時本實(shí)施例中動水阻力矩數(shù)模計算值與物模實(shí)測值對比。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 實(shí)施例
[0031 ]本實(shí)施例對船閘一字閘門啟閉過程動水阻力矩數(shù)值模擬，選取船閘一字閘門為直 聯(lián)式啟閉機(jī)，如圖1所示，船閘閘室有效尺寸為120mX 12mX4m(長X寬X檻上水深），一字閘 門尺寸為41.0mX14.8mX2.lm(高X長X厚），淹沒水深為30m條件，啟閉機(jī)運(yùn)行180s時間完 成一字閘門動水阻力矩過程。
[0032]本實(shí)施例的方法包括以下步驟：
[0033]第一步、根據(jù)所需模擬一字閘門的實(shí)際工程布置尺寸，以所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)軸 方向為Z軸繪制一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型;三維幾何模型可采用軟件ICEM CFD 繪制。
[0034]第二步、對第一步生成的一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。網(wǎng) 格生成方法優(yōu)選為：先在三維幾何模型的投影面上生成平面二維網(wǎng)格，其中門庫區(qū)域為三 角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閘室區(qū)域為四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;再將平面二維網(wǎng)格沿投影線方向拉伸為三 維棱柱體網(wǎng)格。而一字閘門的網(wǎng)格在在旋轉(zhuǎn)過程中會進(jìn)行重構(gòu)，在生成平面二維網(wǎng)格時可 以選擇多種現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
[0035] 本實(shí)施例中計算區(qū)域剖分網(wǎng)格總數(shù)約為9萬個，計算節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為60萬個，網(wǎng)格剖 分如圖2所示。按工程實(shí)際情況設(shè)置網(wǎng)格的邊界類型，其中閘室頂面的邊界設(shè)置為壓力邊 界，所述一字閘門各側(cè)面的邊界設(shè)置為運(yùn)動邊界，其他所需邊界設(shè)置為壁面邊界，最后輸 出.mesh文件。
[0036] 為了減化運(yùn)算，第二步中所述一字閘門各側(cè)面的邊界可設(shè)置為剛體運(yùn)動。
[0037]第三步、將第二步中生成的網(wǎng)格(即.mesh文件)導(dǎo)入到液體計算平臺FLUENT中； [0038]第四步、采用Realizable k-ε湍流模型模擬所述一字閘門旋轉(zhuǎn)啟閉過程中的水體 流動狀態(tài)，從而得到紊流控制方程;采用兩相流VOF模型模擬船閘處的自由液面，并設(shè)定空 氣為主相、水為第二相;本實(shí)施例中采用Realizable k-ε湍流模型模擬所述一字閘門旋轉(zhuǎn) 啟閉過程中的水體流動狀態(tài)以及采用兩相流V0F模型模擬船閘處的自由液面均為現(xiàn)有技 術(shù)，不再贅述。
[0039]第五步、設(shè)定所述一字閘門的運(yùn)動角速度co(t)如下式所示：
[0040]
[0041] 式中，t為所述一字閘門2的旋轉(zhuǎn)時間，1為啟