不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟

发布时间：2020-08-09 04:01

【摘要】：弧形闸门因其启门力小、操作方便等优点,广泛应用在水利工程中。在运行过程中,通过全部或局部开启调节过闸流量,控制上游或水库水位。但闸门局部开启时,由于复杂的水流条件,动水压力的计算仍比较困难。因此,本文采用数值模拟的方法,对不同开度下弧形闸门的动水压力和结构特性进行计算和分析。本文采用单向流固耦合的方法,结合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法,利用ANSYS、Fluent软件建立了流域和闸门三维模型,对不同开度下闸门进行数值模拟,获得了过闸流量和闸门变形、应力变化规律,通过与理论计算流量对比,验证了数值模拟结果的准确性,得到如下主要结论:(1)泄流量数值模拟值与理论计算值误差小于5%,验证了数值计算方法的合理性和有效性。(2)弧形闸门的动水压力随开度的增加逐渐减小,最大应力区发生了变化,应根据不同的工作环境进行设计和加固。(3)开启瞬间是弧形闸门的最危险工况,最大变形发生在面板下部区格中心,向内凹陷;最大等效应力发生在下支臂与横梁连接处,腹板和翼缘连接位置。(4)在闸门各构件的连接处,容易出现应力集中,设计过程中应采取适当的加固措施,减小应力局部增加,例如圆角过渡,增设加劲板,提高焊缝质量等。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV663.2
【图文】：

示意图,离散方法,数值计算,示意图

（a）有限单元法（b）有限体积法（c）边界元法图 2-1 数值计算离散方法示意图Fig.2-1 Discrete method of numerical calculation2.2 流固耦合方法2.2.1 强、弱流固耦合依据求解方式的不同，流固耦合问题可分为：强流固耦合求解和弱流固耦合求解[53]。强流固耦合又称直接求解法，建立流场、结构位移场以及耦合作用统一的控制方程，在一个时间步中同时进行求解。由于结构位移场和流场的数值方法不同，在耦合分析中采用单一的数值方法，会造成计算难度的增加，同时，因为采用了统一的控制方程，固体和流体的网格在耦合面上网格必须一致，对网格划分控制要求较高。因此，该方法在实际工程中应用较少。弱流固耦合又称分区迭代法，单独建立流场和结构位移场的控制方程，在一个时间步中分别进行求解，然后通过耦合面进行数据传递。该方法通过耦合面实现不同计算域的数据传递，有一定顺序的进行多物理场的求解，简便且适用性强。由于该方法分别对

流程图,单向流,流程,结构位移

2 理论依据和软件介绍结构位移场。ANSYS 中单向流固耦合求解流程如图 2-2 所示。计算过程中，忽略了结构位移场变化对流场造成的影响，缩短了计算时间，提高了计算效率，对计算精度的影响也较小，但在计算原理上存在一定的误差，适用于计算塔吊在风力作用下的静力分析、阀门在不同开度下的应力分析、热交换器的热应力分析等。

流程图,双向流,流程

构位移场变化对流场造成的影响，缩短了计算时间，提高了计算效率，对计算精度的影响也较小，但在计算原理上存在一定的误差，适用于计算塔吊在风力作用下的静力分析、阀门在不同开度下的应力分析、热交换器的热应力分析等。图 2-2 单向流固耦合求解流程Fig.2-2 Process of one-way fluid-solid interaction

【参考文献】