平面钢闸门流激振动特性研究

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水利工程建设是国家基础设施建设的重要一环,平面钢闸门作为水利工程中的重要一部分,常见于各种水利设施当中,其是否安全稳定运行直接影响着水利设施和周围居民的生命财产安全。振动问题一直是危害闸门安全运行重要因素,在极端情况下可能会导致闸门结构的破坏,造成重大的水利工程安全事故。因此研究平面钢闸门流固耦合振动问题对于水利工程的安全与稳定具有重要的意义。本文基于有限元分析软件ANSYS中的Workbench平台,并结合黄河支流某水利枢纽工程,研究其工作闸门流固耦合振动特性和闸下水流流态特性,为水利工程设计及管理提供参考。本文主要研究内容及结论如下:(1)综述了国内外关于闸门振动、流固耦合以及计算流体力学的研究现状,阐述了流固耦合的基础理论及相应的数值分析方法,讨论了闸门振动问题的多种研究方向,为课题研究过程提供理论基础。(2)利用SOLIDWORKS软件结合工程文件建立平面钢闸门三维模型,导入ANSYS软件后建立闸门与水体的流固耦合模型,分别进行干模态和闸门前有水的湿模态分析研究。研究结果表明,有水情况下的平面闸门的振动频率远低于无水状态下的振动频率,且随着开度的增加各阶振动频率随之增加。(3)采用RNG模型,对闸门水域进行数值模拟。通过数值模拟方法完整的模拟出闸下水域压力云图、监测面压力数据等,分析底缘构型对水流流态的影响。结果表明:只有平底闸门在底缘的正下方一直存在负压区域,且随着时间变化向下倾角附近移动,其余三种结构无明显负压区存在;通过对水流上托和下吸特性的分析可以得出,上托力随着上游倾角的增大而增加,平底闸门上托力为负值呈现出下吸的特性,易诱发闸门振动。(4)结合工程实例,以黄河支流某水利枢纽为研究对象,设计一套闸门动态响应监测方案,从而实现对平面钢闸门振动情况的实时监测。
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