流激振动对闸门面板压力及启闭力的影响研究

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流激振动是水工闸门在动水启闭过程中广泛存在的一种现象,现有的已建工程中部分振动比较严重的闸门存在启闭力突然增大的问题,以至于无法正常启闭,威胁到水电站的正常运行和库区的上下游安全。目前国内外学者多通过物理模型试验和数值模拟来探究流激振动对闸门的影响,但这些研究大都停留在闸门结构稳定性的问题上,因此为防止闸门在流激振动影响下出现启闭力超出启闭机容量的情况,有必要对闸门启闭力的公式做出进一步改进,使其适用于振动影响下的闸门启闭力计算。通过对闸门振动模型的简化,分析了流激振动影响下的闸门压力变化情况,并推导出闸门面板压力的计算公式,将其与启闭力公式结合,解决了闸门在流激振动影响下启闭力计算不准确的问题,主要研究内容及成果如下:
  (1)以辽中某河渠闸门为基础,对不同开度下的闸门面板受力以及振动位移进行三维流固耦合数值模拟,结果表明流激振动造成的激振力与闸前水压力的叠加与抵消是造成闸门启闭力变化的主要原因。
  (2)在考虑闸门整体振动的基础上,对振动模型做出合理简化,针对闸门在流激振动影响下面板压力增大的现象,对闸前压力的计算方法做出了改进,得到闸前面板压力、闸门面板位移以及闸前水头三者之间的关系,并与辽中某河渠闸门以及玛尔挡泄洪放空洞弧形工作闸门的三维流固耦合数值模拟结果进行验证,结果吻合较好,证实了闸前面板压力计算公式的可行性。
  (3)波形合成法和改进后的点面转换法在平板闸门和弧形闸门上的应用,实现了将原型实测和物理模型测量的点压力数据转化为面压力,解决了原型实测和物模过程中难以直接测量闸门面板压力的问题,为闸门面板受力的计算提供了一种切实可行的方法。
  (4)基于流激振动影响下闸门面板压力的计算方法,在考虑了流激振动对面板受力、摩擦系数、摩擦力臂的影响后,对原有的启闭力计算公式进行改进。结果表明,若闸门内部结构稳定,计算得到的闸门启闭力数值与实测数据较为吻合,并且在小开度时闸门振动相对严重,闸门启闭力变化较大,但总体的影响范围在5%~15%左右。
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