动边界条件下平面闸门流激振动试验研究

作     者：邓淇 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈春颖;陈键

授予年度：2022年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：平面闸门 脉动压力 流激振动 模型试验 流固耦合 

摘      要：在水利工程中的过水孔道上,平面闸门用于调节上下游水位、控制流量、拦截水流、排放泥沙、放运船只等作用。近年来我国经济高速发展,其水利行业也在快速发展,以往高坝发展缓慢,如今高坝发展迅速。平面闸门往承压水头高、大流量、大尺寸方向发展。闸门启闭过程与水流直接接触,使得水流流态、水流脉动情况发生改变,引发闸门发生流激振动。水流的脉动由于流量、闸门启闭时间的不同而改变,当水流一瞬间的脉动频率与闸门结构固有频率接近或相等时,闸门发生共振破坏,故闸门结构振动成为水利工程中常见的问题。从流体结构互动理论出发,进一步阐明水工平面闸门流激振动机理,为今后减少闸门发生变形和结构破坏,提出有效工程措施,具有较大的科学意义和工程实用价值。本文通过试验方法对动边界条件下平面闸门流激振动研究分析,主要内容与结果如下:考虑闸孔出流的不同水头、流量和闸门开启或关闭的速度,选取相应闸门运行工况,建立相应的水工试验模型。本文使用CY200脉动压力传感器对水槽底部特征点进行水流脉动压力测试,获取水流的脉动压力信号数据;三轴加速传感器及DH5922N振动测试系统对闸门上特征点进行测试,获取闸门振动的加速度、速度、位移三个主要参数测试、采用便携式流速仪测量过闸水流流速,所需要的试验数据是同步进行采集的。通过对水流的脉动压力数据进行时域、频域分析。结果表明,水流的脉动压力K概率密度曲线符合正态分布,受水流流量、闸门启闭时间不同,曲线会发生偏移。其他条件相同时,随着流量的增大,脉动压力概率密度曲线向左偏移程度增加,呈负偏分布;其他条件相同,脉动压力K的概率密度分布曲线随着时间的增加有向右偏或接近标准正态分布。对水流的脉动压力使用傅里叶变换,结果表明,水流频率较低,属于低频水流,其脉动频率优势频率集中在0 20 H。通过对闸门振动的加速度、速度、位移时程图分析,结果表明,时程图显示出非对称性、非周期性、非单调性的现象,这也证明动边界条件下平面闸门流激振动无显著的趋向、没有规律随机的过程,其流激振动状态随着时间的变化而变化,故属于是非定常流。通过对过闸水流的流速分析,得到闸门在相同流量情况下,闸门振动随着过闸水流平均流速增大,位于闸门底缘振动加速度、速度、位移值比闸门上部增加的幅度更大,说明闸门底缘部分振动更剧烈。最大加速度、速度出现在闸门的底缘中断面,流量越大位移值越大,说明在其他条件不变的情况下,流量越大闸门振动越剧烈。通过使用频谱分析法对水流的脉动压力、闸门振动位移分析。结果表明,闸门结构的固有频率与水流脉动频率相差较大,故不会引发闸门发生共振破坏。并且闸门过闸流量增大,使得闸门位移的优势频率增大,且闸门底缘中断面的优势频率大于其他测点。同时,闸门振动位移的优势频率与测量点有关,在闸门边缘处频率比其他测点要小。