[发明专利]一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，属于船闸水力学技术领域。基于FLUENT流体计算平台，借助用户自定义函数（UDF）控制一字闸门启闭动态过程，通过建立船闸一字闸门、门库区域及闸室三维数学模型实现船闸一字闸门启闭过程动水阻力矩数值模拟。本发明提出的一字闸门动水阻力矩数值模拟方法具有良好精度，为快速、方便获取一字闸门启闭动水阻力矩提供可能，可应用于船闸一字闸门动水阻力矩确定、启闭力确定、启闭机容量设计、门库边界条件优化等，解决了物理模型试验研究手段费时费力等问题。

技术领域

本发明涉及一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，属于船闸水力学技术领域。

背景技术

高水头、大淹没水深条件下的闸门启闭动力特性一直是大型船闸建设和研究领域关注的重要课题，其中一字闸门这一船闸闸门的门型对于山区河流船闸闸门工作水头大、通航水位变幅大、航宽窄等运行条件中具有特殊的优势。然而，随着船闸闸门淹没水深的增大，水流现象将变得日益复杂，水动力学问题将更为棘手，启闭过程门前后水位差及门头附近旋涡将会使闸门启闭过程承受动水阻力作用明显增加，对闸门结构设计、门库体型布置、启闭机容量设计、启闭机运行方式提出了挑战，因此针对“高宽比”较大的一字闸门开展水动力特性及动水阻力矩研究，具有重要的理论意义和实用价值。

目前船闸一字闸门动水阻力矩研究主要采用物理模型试验和原型观测研究，物理模型试验通过对船闸闸门水动力荷载及流态特性的测试分析，解决了许多高水头船闸闸门启闭机设计等问题，但研究对象为特定工程船闸闸门，难以深入研究水动力特性的各种影响因素，不便于进行广泛推广应用。原型观测中对于反映流场特征的数据获取，受到观测时间、运行条件、技术水平等条件限制，测量数据组次有限，无法全面了解水动力荷载的分布特性及绕闸水流结构，不利于深入研究的开展，其观测结果与泥沙淤积、波浪、风、闸门安装精度、驱动电机及闸门弹性系统特性、船闸输水水力特性、引航道非恒定流及枢纽运行等影响因素有关，具有随机性，难以定量分析。另外，物理模型试验和原型观测研究均需消耗大量人力物力，因此急需一种高效准确模拟船闸一字闸门启闭过程动水阻力矩数值的方法。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，针对现有技术中物理模型试验和原型观测研究等技术手段费时费力的问题，提供一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，该方法可以准确确定船闸一字闸门的启闭力并可以辅助优化启闭机容量的设计和门库边界等。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，包括以下步骤：

第一步、根据所需模拟一字闸门的实际工程布置尺寸，以所述一字闸门的旋转轴方向为Z轴绘制一字闸门、门库边界及闸室的三维几何模型；

第二步、对第一步生成的一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分，并设置网格的边界类型，其中闸室顶面的边界设置为压力边界，所述一字闸门的边界设置为运动边界，其他所需边界设置为壁面边界；

第三步、将第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中；

第四步、采用Realizable k-ε湍流模型模拟所述一字闸门旋转启闭过程中的水体流动状态，从而得到紊流控制方程；采用两相流VOF模型模拟船闸处的自由液面，并设定空气为主相、水为第二相；

第五步、设定所述一字闸门的运动角速度ω(t)如下式所示：