不同底缘形式的平板闸门水力特性数值模拟

角底缘形式启闭力最小，底缘压力脉动较小，最不易出现空蚀破坏。
关 键 词 ：平 板 闸 门 ；动 水 闭 门 ；数 值 模 拟 ；水 动 力 特 性 ;底
文献标志码: A
文章编号：1006 7647(2017)05 0046 05
Numerical simulation of hydraulic characteristics of plain gate with different types of bottom edges//L IU Fang， ZHAO MingLi， LENG Dongsheng， XIN Shiqiang ( State Key Laboratory o f Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University，Tianjin 300072，China) Abstract：The closing process of high-head plain gates was numerically simulated with the RNG k-s model， VOF method， and dynamic mesh division technique. The reliability of the numerical method was verified with measured data. The trend term of bottom edge pressure was extracted using empirical inode decomposition ( EM D) ， a processing technology of a nonstationary random process. The relationships between the bottom edge type，flow fluctuation，and holding force were examined. The optimal bottom edge type was determined through comprehensive consideration of the pressure fluctuation， cavitation， and holding force characteristics of the bottom edge. The results show that the type of bottom edges of gates has a significant influence on the opening and closing forces，and a bottom edge with a front inclination leads to the minimum opening and closing forces，lower pressure fluctuation，and less cavitation damage. Key words: plain gate；hydrodynamic closing；numerical simulation；hydrodynamic characteristic；bottom edge type； empirical mode decomposition
不 同底缘形式的平板闸门水力特性数值模拟
刘 昉 ，赵 梦 丽 ，冷 东 升 ，邢 仕 强
( 天 津 大 学 水 利 工 程 仿 真 与 安 全 国 家 重 点 实 验 室 ，天 津 300072)
摘 要 ：为优化闸门体型，探究不同底缘形式下闸门的水力学特性，采 用 R N G k -着模 型 和 V O F 方 法 ， 结合动网格划分技术，对高水头平板闸门闭门过程中水力学特性进行了数值模拟分析。采用模型
平板事故闸门因其动水关闭过程中的水动力特 性 非 常 复 杂 ，一 直 是 闸 门 设 计 及 研 究 的 重 点 和 难 点 ， 尤其是闸门启闭力特性[|-3]和闸区空化特性成为学 者们关注的焦点。高速水流下的闭门过程流态不同 于 闸 门 全 开 或 局 开 工 况 ，为 强 烈 的 水 气 两 相 紊 流 流 动 ，闸后水流由满流过渡到明流，若底缘体形设计不 合 理 ,将 会 造 成 闸 下 水 流 流 态 不 佳 ，门 体 形 成 负 压 ， 底缘因水流分离而导致的压力波动亦会诱发闸门振 动,给闸门体系带来安全隐患。
闸 门 底 缘 倾 角 的 朝 向 、角 度 均 是 影 响 启 闭 力 的 关 键 因 素 。早 期 研 究 人 员 主 要 采 用 模 型 试 验 方 法 探 究 闸 门 底 缘 形 式 与 启 闭 力 的 相 关 关 系 ，通 过 直 接 改 换 闸 底 体 型 ，测 试 连 接 在 闸 门 及 启 闭 机 之 间 钢 丝 绳 的受力，反推闸门的启闭力，方法简 单 易 于 操 作 ，却
试验实测数据验证了数值方法的可靠性；利用非平稳随机过程处理技术（E M D ),有效地提取底缘 压 力 趋 势 项 ，进 而 开 展 底 缘 形 式 与 水 流 脉 动 、持 住 力 相 关 关 系 的 探 讨 ；通 过 综 合 考 量 底 缘 压 力 脉 动 、
空 化 及 持 住 力 特 性 ，寻 求 最 佳 底 缘 体 型 。结 果 表 明 ，闸 门 底 缘 形 式 的 改 变 对 启 闭 力 影 响 显 著 ，前倾
第 37卷第5 期 Vol. 37 No. 5
水利水电科技进展 Advances in Science and Technolog^^ of Water Resources
DOI:10. 3880/j. issn. 1006 7647.2017. 05. 008
2017年 9 月 Sep. 2017
存 在 缩 尺 效 应 ，且 实 测 物 理 量 有 限 ，无法直接反映作 用 在 闸 门 底 缘 处 的 上 托 力 或 下 吸 力 的 大 小 ，不利于 闸门受力机理的研究。随着数值方法的成熟及软件 的完善，李 利 荣 等 [4]曾 利 用 数 值 计 算 方 法 ，模拟分 析 水 力 自 动 滚 筒 闸 门 表 面 的 动 水 压 力 、流 速 分 布 等 水动力特性;张冬等[5]通 过 A D I N A 软件对平面闸门 不 同 开 度 下 启 闭 力 的 变 化 特 征 进 行 研 究 ；章晋雄 等 [6]采 用 R N G k - s 模 型 和 水 气 两 相 V O F 模 型 ，分 析比较不同上游底缘倾角对上托力的影响。前人的 闸 底 体 型 数 值 工 作 大 多 集 中 于 倾 角 角 度 的 研 究 ，且 综 合 考 量 底 缘 倾 角 、朝 向 对 闭 门 力 及 底 缘 脉 动 和 空 化特性影响的相关报道鲜少。鉴 于 此 ，本文以某泄 洪洞内事故平板闸门为研究对象，采 用 R N G k - s 模 型 和 V O F 方法对闸门静态持住力进行试验验证，并