主页〞阳光娱乐平台〝主页第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理力自动翻板闸门大大改善了运行的稳定性但在复杂的水流作用下仍有可能发生水力振动。模型实验结剁】表明连杆滚轮式水力自动翻板闸门存在三种类型振动水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动、有限范围内的不稳定振动、大幅度“拍打”。连杆滚轮式水力自动翻板闸门在水流脉动压力作用

　　第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理力自动翻板闸门大大改善了运行的稳定性但在复杂的水流作用下仍有可能发生水力振动。模型实验结剁】表明连杆滚轮式水力自动翻板闸门存在三种类型振动水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动、有限范围内的不稳定振动、大幅度“拍打”。连杆滚轮式水力自动翻板闸门在水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动一般发生在大开度或接近全开时主要与水舌下方空腔的掺气情况有关因为门下空腔形成负压空腔内外较大的压力梯度使空气从水舌和底缘进入空腔形成较大压力脉动。水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动对翻板闸门的危害不大其特点是振幅小频率较高。连杆滚轮式水力自动翻板闸门在刚开门、全开门或者其他某些特定开度时出现的不稳定摆动晃动或抖动这就是有限范围内的不稳定振动该类型振动在自由出流或淹没出流时都有可能出现但主要是在自由出流条件下出现的。有限范围内的不稳定振动一般振幅较大频率相对较低是水流和翻板闸门相互作用的结果。由于有限范围内的不稳定振动扩大到一定程度就受到抑制因此对翻板闸门的安全运行危害不大。连杆滚轮式水力自动翻板闸门出现有限范围内的不稳定振动主要有以下两个原因翻板闸门开启时有时出现撞击底坎的现象与启闭时翻板闸门底缘动水压力形成下泄力密切相关。因翻板闸门的开启作用在底缘的压力水头迅速转换成流速水头压力骤降形成下泄力这种下泄力是形成该类振动的主要原因水流在底缘的分离和重新附着也是原因之一。当水位升高时水压力合力增大克服重力和机械阻尼作用翻板闸门开启在翻板闸门开启的同时因底缘水压力骤降开门力矩小于关门力矩翻板闸门关闭而在翻板闸门关闭的同时因底缘水压力骤增开门力矩大于关门力矩闸门又重新开启如此往复。当上游水位上升幅度较大时若能使开门力矩在底缘水压力骤降时仍能保持大于关门力矩翻板闸门继续向开门方向运行。如合理安装上止水橡皮采用三角形底缘型式有效地减少了开门时的下泄力是避免和改善这种不稳定振动较好的方法。总之当开门力矩满足开一则稳定开一则不稳定。在小开度条件下一般也常出现不稳定摆动现象摆动的幅度约在。左右是与闸门顶不稳定过流有关的此时门项水深较小一般在以下闸门的较小摆动就可导致过流量有较大的变化而过流量相对较大的变化迅速引起水位及水压力的变化水压力的变化又反馈控制闸门的运动如此第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理反复。此外当下游淹没度一定时因过流量变化而引起闸下往复震荡水流也是造成该类型振动的原因。连杆滚轮式水力自动翻板闸门在某种淹没条件下有可能形成大幅度不稳定拍打这类振动是翻板闸门在与动水的相互作用下不断撞击底坎和支墩所形成的结果对工程具有破坏性的影响甚至导致工程失事是工程设计中应极力避免的因此非常有必要分析研究其形成的物理机制。从实验中发现在自由出流、小淹没度或大淹没度的情况下都不形成“拍打”仅在某一淹没出流条件下才出现【…。这样形成如图所示的区为拍打形成区区为无拍打形成区。翻板闸门在运行中所受的作用力有门重职门叶上游面、下游面、底缘、顶缘所承受的水压力合力门下空腔负压的下拉力尸以及滚轮的支承力及连杆的内力。其中水压力的作用是造成翻板闸门拍打的主要因素。在翻板闸门运动过程中都是形成开门方向力矩则形成关门方向力矩。在下游水位较低时形成开门方向力矩在下游水位特高时形成关门方向力矩当下游水位在某一范围变化时开度时形成关门方向力矩而在闸开度时形成开门方向力矩正是这种交替作用造成翻板闸门在区形成拍打。尸通过瞬时转动中心的翻板闸门开度定义为“临界开度”或“临界点”可以说翻板闸门在运行过程中只要出现这样的“临界点”就有可能形成拍打。图翻板闸门拍打形成区示意图当翻板闸门处于“临界点”时受到一个扰动使开度加大或减少偏离“临界点”由于岛开门力矩的作用开度继续增大加上负压下拉力马的作用第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理翻板闸门可能迅速开到最大泄流量也达到最大上游水位迅速下降下拉力尸消失或减小在重力等因素的作用下开门力矩的作用也减小翻板闸门向关门方向运动由于转动惯量的影响翻板闸门关到“临界点”以下迅速形成关门方向力矩使翻板闸门迅速关闭并激烈撞击底坎这时翻板闸门门下过流量为零下游水流以波浪的形式往回冲增加开门方向的力矩上游水位急速升高开门力矩迅速增大。当翻板闸门下游水位出现波谷时翻板闸门迅速开启又在乃交变作用下翻板闸门迅速达到最大开度并撞击支墩如此往复上下撞击底坎和支墩就形成对工程具有破坏性的“拍打”。振动类型及减振措施连杆滚轮式水力自动翻板闸门在复杂的水流作用下可能发生水力振动现象特别是大幅度“拍打”对工程具有破坏性的影响是工程设计中应极力避免的而水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动和有限范围内的不稳定振动对闸门安全运行虽不构成危害但振动引起噪声给周围环境带来的不利影响是不可忽视的。因此必须采取有效的工程措施加以克服确保工程造福人民。首先在总体布置上水力自动翻板闸门应布置在水流较平顺的部位尽量避免门前横向流和漩涡、门后淹没出流和回流等对翻板闸门冲击的不利影响这是一条基本原则也是最重要的原则。以下针对不同的振动类型分别阐述其相应的减振措施水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动是紊流压力所诱发的属强迫振动。而门下空腔负压对水流脉动影响较大由此会导致翻板闸门产生小范围较高频率的振动即微幅随机振动冲击支墩或定轴。可采用通气措施以便减小空腔负压从而改善翻板闸门小范围的振动。每孔闸门应设两道通气孔清除负压通气孔的布置如图所示通气孔的总面积应超过闸门面积的。第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理阁翻板闸门的通气孔布置图有限范围内的不稳定振动当闸门顶溢流水头达到一定深度时溢流水舌出现不稳定现象即水舌振动从而引起闸门产生自激振动。据分析水舌的振动和反馈是引起泄水结构自激振动的一个面亟重要原因其反馈的顺序是闸门振动一水舌振动一水舌下空气体积变化一压力波动一闸门振动。优化底缘形式例如采用三角形底缘见图可以减小水流在门下空腔图底缘形式和底缘的水压力脉动减小或消除开门时翻板闸门在有限范围内的摆动。大幅度“拍打”根据连杆滚轮式水力自动翻板闸门发生拍打的原因分析闸门下游面水压力的交变作用是形成拍打的主要因素在淹没度较大或淹没度较小时闸门都处于“无拍打区”仅在某一淹没度时才处于“拍打形成区”。拍打形成区的位置及大小取决于来水量的大小及翻板闸门的几何尺寸。因此可以考虑采取以下措施以消除或减缓闸门的拍打。根据工程泄洪要求选定适当位置拟建数孔冲沙闸待河道流量尚未第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理接近翻板闸门起拍流量时预先开启冲沙闸泄水控制下游水位不让翻板闸门进入“拍打形成区”。同时为防止冲沙闸泄水时下游流态不良可设导流墙将冲沙闸与水流隔开。总体布置上水力自动翻板闸门应布置在水流较平顺的部位尽量避免门前横向流和漩涡、门后淹没出流和回流等对闸门的不利影响。翻板闸门布置在水流较平顺的部位 可以避免运行过程中的许多复杂问题 这是因为若水流条件不好 对翻板闸门运行带来许多不良影响 以致翻板闸门不能正常工作 甚至导致失事。例如进口漩涡带进大量空气容易引起翻板闸门振动 出口回流和淹没出流同样也容易引起翻板闸门振动。 翻板闸门底缘形式的布置 见图 也需加以注意 因为闸门的底缘形式对闸门泄流时的水力学因素比较敏感。若底缘形式布置不当 则增加门底的动水压力 容易引起闸门振动。还要注意闸门底缘与堰顶接触点的位置 一般宜设在堰顶最高点的下游侧 以利于压低泄流水舌和减少堰面出现负压的机会 从而减轻闸门的振动。适当形式图 翻板闸门的底缘布置形式 为减小以至消除门下空腔负压的下拉力 可在翻板闸门上部设置通气孔 其上端应伸出闸门项 且应有足够的面积 位置适宜 通气均匀 安全可靠。 对翻板闸门结构本身 可通过合理设置连杆、滚轮的尺寸大小和位置及其他几何尺寸等来调整“临界点”的位置 使翻板闸门运行的全过程不出现“临界点”。例如 当淹没度不大时 通过适当加大滚轮半径和提高连杆的位置 来提高“瞬心” 闸门瞬时转动中心 位置 使闸门下游水压力在运行过程中形成开门力矩 以避免拍打现象的发生 反之 当淹没度较大时 可以适当降低“瞬心”位置 使闸门下游水压力在运行过程中都形成关门力矩 也可以避免“拍打”。第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 本章小结本章主要做了以下工作 介绍了连杆滚轮式水力自动翻板闸门利用力矩平衡进行工作的原理 并对静态和动态工作进行了详细的分析与比较 研究了水力自动翻板门的运转机理。 根据连杆滚轮式水力自动翻板门的工作原理和受力情况 分析研究了闸门运动过程中的基本平衡方程 并详细探讨了闸门所受的各力及其力矩的计算方法和公式。 将连杆滚轮式水力自动翻板门在运行过程中可能出现的振动主要分三种类型 即水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动 有限范围内的不稳定振动 以及大幅度“拍打” 并对各种振动的原因进行了具体分析 同时也提出了相应的减震措施。第三章水力自动翻板门水动力特性数值模拟第三章水力自动翻板门水动力特 生数值模拟理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性 各种影响因素清晰可见 是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是 它往往要求对计算对象进行抽象和简化 才有可能得出理论解。对于非线性情况 只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得的实验结果真实可信 它是理论分析和数值方法的基础 其重要性不容低估。但是 实验往往受到模型尺寸、流场扰动和测量精度的限制 有时很难通过试验方法得到结果。此外 试验还会遇到经费投入、人力物力的巨大耗费及周期长等许多困难。计算流体动力学方法是在计算机上实现一个特定的计算 可以清楚的看到流场的各种细节 可以形象地再现流动情景。本章将借助于数值模拟技术 进一步研究过闸水流的流速、流态特性以及作用在闸门上的时均压强的变化规律。 数值求解技术数值求解技术实际上是一种离散近似的计算方法 各种各样的流体力学问题必须从给定的微分方程或基本定律出发 建立物理上合理、数学上适定、能够在计算机上进行计算的离散化数学模型。大多数数值求解技术的基本思想可归纳为 把原来在时间和空间上连续的物理量的场 如压强场、速度场等 用有限个离散点上的值来代替 然后按一定的方式建立关于这些值的代数方程组并求解 从而获得物理量场的近似解。由于所引入的因变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同 就形成了有限单元法 、有限差分法 、控制体积法 、边界单元法、有限节点法、有限分析法、谱分析方法等。 有限差分法有限差分法 简称 是数值解法中最经典的方法 引。它是将求解域划分为差分网格 用有限个网格节点代替连续的求解域 然后将偏微分方程的导数用差商代替 推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。该方法发展较早 较成熟 较多的是用于求解双曲型和抛物型问题。用它求解边界条件复杂、尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。因为差分第三章水力自动翻板门水动力特性数值模拟方法一般无需对方程进行变换 所以往往被新建立的计算流体理论首先采用。差分方法的计算精度较其他一些方法稍低 从理论上讲可以通过提高差分阶数来提高计算精度 但又会带来一些不便。差分方法的另一个弱点是 传统的矩形网格不能较好的适应复杂的边界。但近年来提出的三角形网格以及边界拟合坐标法 在一定程度上弥补了差分方法的缺憾。 有限体积法有限体积法【 又称控制体积法简称 其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的单元 即控制体积 并使每个网格节点周围有一个控制体积 将待解微分方程 控制方程 对每一个控制体积积分 以网格节点上的因变量数值为未知数 假设其在网格节点之间的分布规律 从而得到一组离散方程 结合边界条件和初始条件求得数值解。有限体积法的物理意义明确 易于理解 无论计算网格疏密都能准确地满足守恒原理 格式统一 便于编程计算 具有较好的计算精度。针对采用不同的计算网格 控制体积法也派生出一些不同的方法 其中 使用较多的是四边形正交贴体网格。在采用四边形网格时 由于对控制体积积分时包含了相间节点的压力差 可能使计算程序无法辨别均匀的合理压力场与不符合实际的、交错的波状压力场 同样 在离散连续性方程时 也可能出现满足连续方程 却不符合实际的波状速度场 从而导致不正确的结果。为此 往往采用交错网格 将不同的物理量布置在不同的节点上 交错网格可以解决波状压力场和速度场的问题 但采用交错网格时 要在计算前插值生成相应的副网格 对计算的最终结果还要进行插值转换 才能统一得到主网格上的各种变量值 因此 计算复杂程度和计算量都有所增加。此外 由于生成三维正交网格存在诸多困难 非正交贴体网格的控制体积法以及无结构网格下的控制体积法也得到了一定的应用。 有限元法有限元法【 简称是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小的单元 并于各个单元分片构造插值函数 然后根据极值原理 将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程 把总体的极值作为各单元极值之和 即将局部单元总体合成 形成嵌入了指定边界条件的代数方程组 求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。采用常规的有限单元方法时 对于对流效应比较强的情况 常常由于有限单元网格不恰当而造成数值解的失真或振荡。为此通常采用附加人工粘性和迎风格第三章水力自动翻板门水动力特性数值模拟式 但这样处理也使方程失去了加权余量的数学意义 从而近似方程不能满足相容性 即在保证稳定的条件下 失去了精度。后来又提出了流线迎风 有限单元法 该方法在稳定性、收敛性及精确度等方面已有很大的提高。该方法较有限差分法和有限体积法求解速度慢、计算格式复杂、计算量及存储量较大、大型系数矩阵较难求解等缺点。但是具有较强的适应性 计算精度较高。尽管近来计算机的存储和计算能力有了很大提高 人们也在不断提出新方法以减小存储量和计算工作量 但仍难以满足三维水流计算的要求 因此 限制了 的应用。结合具体情况 本试验中采用有限差分法进行数值模拟计算。 自由水面处理技术自由水面是流体的边界 并对流体的流动有着很大的影响。由于自由水面的边界条件往往随时间不断变化 难以确定其位置 给流体自由水面的模拟和计算网格的划分等带来了极大困难。在实际工程应用和研究工作中 采用了多种方法来模拟自由水面。 刚盖假定假定在自由水面存在一个不变形的刚性盖 使自由水面的位置不再随时间变化 从而得以进行网格剖分和计算。显然 这一假定已完全改变了流体的运动条件 很难对流体的运动做出准确的描述。但因其形式十分简单 并对一些自由水面位置随时问变化不大的情况可以得到满意的计算结果 因此得到了较广泛的应用。刚盖近似法在恒定流模型中应用较多 其作法是将自由表面处理成对称面 按对称面给出边界条件 即法向速度为零以及各特征量的法向梯度为零 而自由面形状则处理成一个平面。显然 对较平缓的自由表面且位置已知的情况 可用此法 但对起伏较为明显的自由水面 刚盖法误差较大。通常 如果研究大体积的水体运动如河流 海洋中宏观水体运用刚盖假定能够巧妙地回避自由表面问题同时满足计算的允许精度。如果研究自由表面水流的局部变化 则刚盖假定不再适用。另外 采用此方法必须事先已知自由水面的位置 如果自由水面的位置未知 就无法给出水面边界。目前 对刚盖假定精心改进是一个重要研究方向 常用的方法是每隔一定时间跟踪一次自由水面 根据新的自由水面位置重新调整网格 而在该时间间隔内认为刚盖假定是适用的 即所谓“动刚盖假定”。时间间第三章水力自动翻板门水动力特性数值模拟隔的取值则需要权衡精度要求与计算效率的关系。许唯临和杨永全【 】提出了弹性盖法 可以解决具有起伏自由面的流场计算域事先未知的问题 是一种对刚盖法的改进。 等人在年发展起来的。它是一种处理不可压缩、粘性流体、自由面流动问题的好方法。设想在整个流场中均匀分布着没有体积、没有质量的小颗粒一标记点 这些小颗粒在不同时刻空间的位置 就可确定流体自由边界的运动情况 因为有标记点和无标记点之间的交界面就是自由表面 从而达到追踪自由表面 】的作用。这一方法把不随流体运动的欧拉网格和随流体运动的拉格朗目标记点结合起来 不但可准确描述自由边界的形状 还可避免因流体界面急剧变形带来的困难。标记点不直接参加流场的计算 不影响流场中其它各物理量的计算。这一思想比较简单 也较容易实现。该方法适用于求解粘性不可压缩流体运动 它的突出优点在于可以处理自由表面是坐标多值函数的问题 能生动地描绘带自由表面水流的流态变化 可以把流体运动的历史过程用动画片展现出来 这一特点对于精细模拟水利工程中常见的一些复杂的水流现象具有重要的意义 但该方法收敛性较差 同时追踪整个流场的颗粒会大大增加计算量 明显降低计算效率。 杂志上首先正式发表了著名的论文 对运动界面追踪问题的数值研究作出了开创性的贡献 论文主要针对溃坝和涌浪、自由面等 成功地进行了运动界面的数值模拟。该法是在 法的基础上发展起来的 它改变了 法中对全部流场进行标记的做法 只对自由表面进行跟踪。因此 法既具有 法的优点 又由于用体积函数替代了标记点 克服了 法占用计算机内存大和计算时间较长的缺点。该方法是目前计算水力学中带自由表面水流问题的较理想方法。在同一单元中 水、气体或者两者的混合体具有相同的速度 即服从同一组动量方程 但它们的体积分数在整个流场中都作为单独变量。在每个单元中 水和气的体积分数之和为 。如果口。 表示水的体积分数 则气的体积分数口。可表示为 只要流场中各处的水和气的体积分数都己知所有其它水和气共有的未知量和特性参数都可用体积分数的加权平均值来表示。所以在任一给定单元中 这些

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