一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的數值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的數值模擬方法，屬于船閘水力 學技術領域。
【背景技術】
[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和研究領域 關注的重要課題，其中一字閘門這一船閘閘門的門型對于山區河流船閘閘門工作水頭大、 通航水位變幅大、航寬窄等運行條件中具有特殊的優勢。然而，隨著船閘閘門淹沒水深的增 大，水流現象將變得日益復雜，水動力學問題將更為棘手，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，對閘門結構設計、門庫體型布置、 啟閉機容量設計、啟閉機運行方式提出了挑戰，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特性的測試分析，解決了許多高水頭船閘閘門 啟閉機設計等問題，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，不便于進行廣泛推廣應用。原型觀測中對于反映流場特征的數據獲取，受到觀測時 間、運行條件、技術水平等條件限制，測量數據組次有限，無法全面了解水動力荷載的分布 特性及繞閘水流結構，不利于深入研究的開展，其觀測結果與泥沙淤積、波浪、風、閘門安裝 精度、驅動電機及閘門彈性系統特性、船閘輸水水力特性、引航道非恒定流及樞紐運行等影 響因素有關，具有隨機性，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確模擬船閘一字閘門啟閉過程動水阻力矩數值的方法。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決技術問題是：克服上述技術的缺點，針對現有技術中物理模型試驗 和原型觀測研究等技術手段費時費力的問題，提供一種船閘一字閘門啟閉時動水阻力矩的 數值模擬方法，該方法可以準確確定船閘一字閘門的啟閉力并可以輔助優化啟閉機容量的 設計和門庫邊界等。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：一種船閘一字閘門啟閉時動 水阻力矩的數值模擬方法，包括以下步驟：
[0006] 第一步、根據所需模擬一字閘門的實際工程布置尺寸，以所述一字閘門的旋轉軸 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行網格剖分，并 設置網格的邊界類型，其中閘室頂面的邊界設置為壓力邊界，所述一字閘門各側面的邊界 設置為運動邊界，其他所需邊界設置為壁面邊界；
[0008] 第三步、將第二步中生成的網格導入到液體計算平臺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啟閉過程中的水體 流動狀態，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，并設定空 氣為主相、水為第二相；
[0010]第五步、設定所述一字閘門的運動角速度《(t)如下式所示：
[0011]
[0012] 式中，t為所述一字閘門的旋轉時間，1為啟閉機的活塞桿運行行程，隊為所述一字 閘門的旋轉角度，ao為所述一字閘門全開時啟閉機旋轉軸到啟閉機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軸到啟閉機的活塞桿與所述一字閘門連接處的距 離，c為啟閉機旋轉軸到所述一字閘門旋轉軸的距離，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軸的連線與啟閉機旋轉軸同所述一字閘門旋轉軸 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]根據第二步設定的邊界條件、第四步中模擬的自由液面以及第五步中設定的所述 一字閘門的運動角速度一字閘門，對第四步得到的紊流控制方程進行求解，得到所述一字 閘門在旋轉過程中水流對所述一字閘門表面上任一點的水壓力和粘滯力；
[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 的網格進行離散處理，從而得到一個代數方程組，利用第二步設定的邊界條件使該代理方 程組封閉，然后對該代數方程組求解；
[0016] 第七步、根據所述一字閘門在旋轉過程中水流對所述一字閘門表面上任一點的水 壓力和粘滯力，就可以計算出所述一字閘門在旋轉過程中任一時刻的動水阻力矩數值。
[0017] 需要說明的是，本發明中第三步找到所需邊界為現有技術，本領域技術人員可以 很容易地根據工程實際找到所需的邊界，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] 本發明帶來的有益效果是：本發明基于FLUENT流體計算平臺，通過控制一字閘門 啟閉動態過程，建立船閘一字閘門、門庫區域及閘室三維數學模型，實現船閘一閘門啟閉過 程動水阻力矩數值模擬，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、啟閉機容量設計、門庫邊界條件優化等提供重要參考依據，可應用于船閘 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時費力等問題。本發明 克服了現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、運行條件、技術水平等條件限制，不但便于進行廣泛推 廣應用，而且可以定量分析。
[0019] 為了保證網格質量，第二步中生成的網格導入到液體計算平臺FLUENT中后先進行 網格檢查，確保網格的精度在預設精度范圍內且不存在負體積網格，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行網格剖分。
[0020] 為了減化運算，第二步中所述一字閘門各側面的邊界設置為剛體運動。
[0021] 優選的，第六步中采用PIS0算法對所述代數方程組求解。PIS0算法為現有技術，在 處理瞬態問題時具有明顯優勢，不再贅述。
[0022] 上述技術方案的進一步改進是:第六步中計算水流對所述一字閘門表面上任一點 的水壓力和粘滯力時，所述一字閘門在旋轉過程中對一字閘門的網格采用2. f5D動網格方法 結合彈簧光順法進行重構;并對所述紊流控制方程按重構后的網格進行離散處理。
[0023] 上述技術方案的進一步改進是:第二步中進行網格剖分時，先在三維幾何模型的 投影面上生成平面二維網格，再將平面二維網格沿投影線方向縱向拉伸為棱柱體網格;其 中在生成平面二維網格時，所述門庫采用三角形非結構網格，所述閘室采用四邊形結構網 格。而一字閘門的網格在在旋轉過程中會進行重構，在生成平面二維網格時可以有多種選 擇。
【附圖說明】
[0024] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0025] 圖1是本發明實施例中一字閘門、閘室及門庫的示意圖。
[0026] 圖2是本發明實施例的網格剖分示意圖。
[0027] 圖3、圖4分別是本發明實施例中網格重構前、后的對比示意圖。
[0028] 圖5為開啟一字閘門時本實施例中動水阻力矩數模計算值與物模實測值對比。
[0029] 圖6為關閉一字閘門時本實施例中動水阻力矩數模計算值與物模實測值對比。
【具體實施方式】
[0030] 實施例
[0031 ]本實施例對船閘一字閘門啟閉過程動水阻力矩數值模擬，選取船閘一字閘門為直 聯式啟閉機，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，啟閉機運行180s時間完 成一字閘門動水阻力矩過程。
[0032]本實施例的方法包括以下步驟：
[0033]第一步、根據所需模擬一字閘門的實際工程布置尺寸，以所述一字閘門的旋轉軸 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行網格剖分。網 格生成方法優選為：先在三維幾何模型的投影面上生成平面二維網格，其中門庫區域為三 角形非結構網格，閘室區域為四邊形結構網格;再將平面二維網格沿投影線方向拉伸為三 維棱柱體網格。而一字閘門的網格在在旋轉過程中會進行重構，在生成平面二維網格時可 以選擇多種現有技術來實現。
[0035] 本實施例中計算區域剖分網格總數約為9萬個，計算節點總數約為60萬個，網格剖 分如圖2所示。按工程實際情況設置網格的邊界類型，其中閘室頂面的邊界設置為壓力邊 界，所述一字閘門各側面的邊界設置為運動邊界，其他所需邊界設置為壁面邊界，最后輸 出.mesh文件。
[0036] 為了減化運算，第二步中所述一字閘門各側面的邊界可設置為剛體運動。
[0037]第三步、將第二步中生成的網格(即.mesh文件)導入到液體計算平臺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啟閉過程中的水體 流動狀態，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，并設定空 氣為主相、水為第二相;本實施例中采用Realizable k-ε湍流模型模擬所述一字閘門旋轉 啟閉過程中的水體流動狀態以及采用兩相流V0F模型模擬船閘處的自由液面均為現有技 術，不再贅述。
[0039]第五步、設定所述一字閘門的運動角速度co(t)如下式所示：
[0040]
[0041] 式中，t為所述一字閘門2的旋轉時間，1為啟