【摘要】：閘門安全穩(wěn)定與否是影響水利設(shè)施安全性和工作性能的一個(gè)重要因素,而現(xiàn)在隨著大壩的不斷修建,閘門工作時(shí)的運(yùn)行條件越來越復(fù)雜,閘門周圍的不穩(wěn)定流場也給其帶來了較多的擾動,甚至威脅閘門的安全運(yùn)行,因此研究閘門結(jié)構(gòu)在水動力載荷作用下的穩(wěn)定性及安全性有重要意義。本文基于ANSYS Workbench平臺,對某水利樞紐工程的事故閘門進(jìn)行了流激振動分析,并研究了閉門過程中的水力特性,以期對閘門及閘室等水工設(shè)施的設(shè)計(jì)及運(yùn)行和維護(hù)提供參考。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)綜述了閘門振動、流固耦合及計(jì)算流體力學(xué)的研究現(xiàn)狀,闡述了計(jì)算流體力學(xué)和流固耦合基本理論以及數(shù)值計(jì)算方法,為整個(gè)研究提供了理論依據(jù)。(2)針對該閘門進(jìn)行傳統(tǒng)平面力系的簡化計(jì)算及有限元精細(xì)化靜力學(xué)分析,其計(jì)算結(jié)果相近。同時(shí)對閘前有水和無水狀態(tài)下閘門的模態(tài)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明閘前有水時(shí),閘門的振動頻率明顯低于無水狀態(tài),其一階頻率降幅達(dá)到34.39%。(3)基于雙向流固耦合理論對閘門不同開度時(shí)的流激振動情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了閘門不同開度下位移、應(yīng)力的分布情況,同時(shí)得到了閘門周圍水流的壓力場及速度場參數(shù),揭示了閘門流激振動的特征,閘門開度越大,閘門的位移和應(yīng)力越小。(4)采用RNG k-?模型、VOF方法以及動網(wǎng)格技術(shù)模擬了該事故閘門的閉門過程,研究了閉門過程中閘門的水力特性,得到閘后流態(tài)、壓力場及閘底壓力,研究了閉門速度對閘門水力特性的影響,結(jié)果表明閉門速度對閘門水力特性影響不顯著。
【圖文】：

2 流體計(jì)算及流固耦合基礎(chǔ)理論計(jì)算精度也越高。當(dāng)步長比較小時(shí)，即使不進(jìn)行迭代也可保證計(jì)算的精度。2.2 湍流數(shù)值模擬方法流體力學(xué)基本方程組描述層流運(yùn)動時(shí)是封閉的，描述湍流運(yùn)動時(shí)，由于采用了時(shí)均方法致使方程不再封閉，必須補(bǔ)充新的方程（即湍流模型）才能求解。目前，湍流數(shù)值模擬方法主要分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法兩大類[52]。非直接數(shù)值模擬方法經(jīng)過細(xì)分，又可分為大渦模擬、雷諾平均法和統(tǒng)計(jì)平均法。湍流數(shù)值模擬法的具體分類圖見圖 2.1。雷諾平均法是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。它的核心是求解時(shí)均化的 Reynolds 方程，而避免直接求解瞬時(shí)的 Navier-Stoke 方程，這樣不僅減少了計(jì)算量，而且可以取得較好的工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)果。

圖 2.2 流固耦合求解流程2.6.4 流固耦合中的數(shù)據(jù)傳遞弱耦合中流場和結(jié)構(gòu)場是分別求解，通過耦合面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)的。流場和結(jié)構(gòu)場內(nèi)的網(wǎng)格是單獨(dú)劃分的，因此耦合面上的網(wǎng)格不能實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)。這導(dǎo)致流場節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)不能直接傳遞到結(jié)構(gòu)場的節(jié)點(diǎn)上，，需要通過插值算法來實(shí)現(xiàn)流場和結(jié)構(gòu)場網(wǎng)格間的數(shù)據(jù)傳遞。此時(shí)可引入一個(gè)與流場和結(jié)構(gòu)場有限元模型節(jié)點(diǎn)都相關(guān)聯(lián)的矩陣，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。1.壓力數(shù)據(jù)傳遞假設(shè)流體耦合面上有fn 個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)場耦合面上有sn 個(gè)節(jié)點(diǎn)，流體耦合面上的節(jié)點(diǎn)壓力為fP ，用矩陣形式描述為： fnfffPPPP 21（2.22）
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV663;TV135

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本文編號：2595374