导墙流激振动研究及结构优化
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摘要
高水头大流量泄洪消能、流固耦联作用或高速水流诱发水工结构振动是近些年我国大型水利工程建设中特别受人关注的问题。本文从工程实际需要出发，以解决工程问题为目的，研究高水头大流量泄洪水流的运动规律，特别是对高速水流产生的水动力荷载，及其和水工建筑物的相互作用，进行了理论计算、模型试验等研究工作。
本文以金沙江向家坝水电站为背景，以消力池导墙为研究对象，主要研究流
激振动及响应问题。主要成果如下：
建立水力学模型，测得连续坎和高低坎时作用在导墙上的荷载，研究
荷载的幅值特性、频谱特性，并进行对比分析；
对导墙进行模态分析，得到导墙的模态和振型；
以水流整体荷载为激励条件，进行导墙数值动力响应计算；
进行水弹性模型振动响应试验，测得结构实测动位移和动应力响应，
并与理论值相互比较；
对遗传算法的基本理论和方法进行了简单介绍，并运用遗传算法，对
导墙进行体型优化设计；
本文的部分成果将应用于生产实际，其中的研究方法对其他类型的流激振动问题也具有一定的参考价值。
The vibration of the hydraulic structure caused by discharged flood energy dissipation 、fluid-structure interaction and high-speed flow are concerned problem of hydraulic engineering constructions in our country in recent years. In this paper, based on the actual need of engineering project，in order to solve the problem of project，the motion law of discharged flood was studied ,especially the hydrodynamic loads and the interaction with the hydraulic structure ,finally the theoretical calculation and the modal experiment were done.
In this paper，the case of Xiangjiaba Project on Jinsha River was taken as background information，the guide walls in stilling basin were taken as study object，the flow-induced structure dynamical response of guide walls were studied。The main conclusions can be gained as follows：
(1) Based on the hydraulic model experiment of guide walls in stilling basin，the peak value and the spectrum of loads on the guide walls are studied and compared；
(2) The compound modal were analyzed，and the structure frequency and the
shape of vibration were gained；
(3) Taking the testing the uplift on slab as load，we calculated the flow-induced
structure dynamical response in the mathematical model；
(4) Based on the hydrodynamic-elasticity model with the mode scale，
the dynamic displacement and the stress of the test were gained. The theoretical results and the testing results were compared；
(5) Some theories and methods about Genetic Algorithms have been introduced
simply, the shapes of guide walls have been optimized by the genetic algorithm;
The research achievements in the thesis can be applied to the actual engineering, and the research method also can provide certain reference value to other kinds of flow-induced vibration problems.
本文以金沙江向家坝水电站为背景，以消力池导墙为研究对象，主要研究流
激振动及响应问题。主要成果如下：
建立水力学模型，测得连续坎和高低坎时作用在导墙上的荷载，研究
荷载的幅值特性、频谱特性，并进行对比分析；
对导墙进行模态分析，得到导墙的模态和振型；
以水流整体荷载为激励条件，进行导墙数值动力响应计算；
进行水弹性模型振动响应试验，测得结构实测动位移和动应力响应，
并与理论值相互比较；
对遗传算法的基本理论和方法进行了简单介绍，并运用遗传算法，对
导墙进行体型优化设计；
本文的部分成果将应用于生产实际，其中的研究方法对其他类型的流激振动问题也具有一定的参考价值。
The vibration of the hydraulic structure caused by discharged flood energy dissipation 、fluid-structure interaction and high-speed flow are concerned problem of hydraulic engineering constructions in our country in recent years. In this paper, based on the actual need of engineering project，in order to solve the problem of project，the motion law of discharged flood was studied ,especially the hydrodynamic loads and the interaction with the hydraulic structure ,finally the theoretical calculation and the modal experiment were done.
In this paper，the case of Xiangjiaba Project on Jinsha River was taken as background information，the guide walls in stilling basin were taken as study object，the flow-induced structure dynamical response of guide walls were studied。The main conclusions can be gained as follows：
(1) Based on the hydraulic model experiment of guide walls in stilling basin，the peak value and the spectrum of loads on the guide walls are studied and compared；
(2) The compound modal were analyzed，and the structure frequency and the
shape of vibration were gained；
(3) Taking the testing the uplift on slab as load，we calculated the flow-induced
structure dynamical response in the mathematical model；
(4) Based on the hydrodynamic-elasticity model with the mode scale，
the dynamic displacement and the stress of the test were gained. The theoretical results and the testing results were compared；
(5) Some theories and methods about Genetic Algorithms have been introduced
simply, the shapes of guide walls have been optimized by the genetic algorithm;
The research achievements in the thesis can be applied to the actual engineering, and the research method also can provide certain reference value to other kinds of flow-induced vibration problems.
引文
[1] R.H.Berryhill, Experience with Prototype Energy Dissipators, Proc, ASCE.J.Hydrau.Divi.May,1963
[2] King,D.L.,Hydraulic Model Studies of the Modified Outlet Works Stilling Basin, Bureau of Reclamation, Hydraulics Branch Repr. HYD—573,1967
[3] H. T. Falvey, Hydraulic Model Studies of the Modified Outlet Works Stilling Basin Navajo Dam Cororado River Storage Project New Mexico, Report Nohyd—573, Hydraulics Branch Division of Research, office of chief engineering, Denver Colorado, June 15, 1967
[4] Л. Π. 连佳叶夫等，高坝溢洪道隔墩水流动力作用的计算，高速水流译文集，水利水电出版社，1979
[5] 曹羡平，张云飞等，大化水电站溢流坝闸墩振动测试报告，水科院抗震所研究报告，1985，11
[6] 乌江渡水电站原型观测成果报告，1987
[7] 长江三峡水利枢纽单项工程技术设计报告，水利部长江水利委员会，1994，11
[8] R. D. Blevins, 流体诱发振动，机械工业出版社，1983.4.
[9] E. Naudascher, From flow instability to flow-induced exitation. ASCE.J.Hydrau. Divi. HY4, 1987
[10] D. S.Weaver, 论水流引起水工建筑物的振动和减灾措施，高速水流译文集，水利水电出版社，1979
[11] 亨利，T. 菲尔维（美国内务部垦务局），垦务局关于水流诱发振动的经验，水工结构水流诱发振动，吴杰芳译，1991
[12] 谢省宗，铁灵芝等，泄水建筑物的压力脉动和振动问题，高速水流研究评述，1986
[13] Thang N. D. E. Naudascher , Self-excied vibration of vertical-lift gates, Jo. of Hy. Res., Vol. 24, No.5,1986
[14] 水科院水力学所，安康水电站中孔升船机导墙——排架系统水弹性振动问
题试验研究报告，1986，12
[15] 水科院水力学所，大化水电站溢流坝水弹性振动试验报告，1988，3
[16] 天津大学水利系，北江飞来峡水利枢纽溢流坝水弹性模型试验报告，1993，3
[17] 天津大学水利系，三峡水利枢纽厂坝隔（导）墙泄洪振动水弹性模型试验研究，1997，8
[18] 崔广涛，练继建，彭新民，林继镛，安刚等，水流动力荷载与流固相互作用，中国水利水电出版社，1999，11
[19] R. H. Kraichman, Pressure Fluctuation in Turbulent Flow Over a Flat Plate, JASA, Vol. 28, No.3, 1956
[20] M. V. Lowson, Pressure Fluctuation in Turbulent Boundary Layers, NASA, U.S., Technical Notes, PP.3151-3170
[21] 居荣初，曾心传，弹性结构与液体的耦联振动理论，地震出版社，1985，1
[22] 应怀樵等，波形和频谱分析与随机数据处理，中国铁道出版社，1983
[23] 长江科学院，万安水利枢纽底孔坝段中隔墙流激振动响应分析，1993
[24] 杨敏 ，高坝消力塘水动力特性与防护结构的安全研究，天津大学博士论文，2003，6
[25] 伯野无彦（日），土木工程振动手册，李照明等译，中国铁道出版社，1992
[26] 窦国仁，紊流力学，人民教育出版社，1982，6
[27] 王良琛，混凝土坝地震动力分析，地震出版社，1990
[28] 练继建，崔广涛，黄锦林，导墙结构的流激振动研究，水利学报，1998，11
[29] 崔广涛，水流点脉动压力和面脉动荷载转换问题的探讨，“溢洪道设计规范专题六之4”，1985，10
[30] 林继镛，练继建，二元射流作用下点面脉动壁压幅值的计算，水利学报，1988，10
[31] 林继镛，练继建，二元淹没射流作用下脉动壁压的相关与频率计算，93全国水动力学研讨会文集，1993
[32] 崔广涛，二滩拱坝泄洪振动水弹性模型研究，天津大学学报，1990，1
[33] 吴一红，谢省宗，水工结构流固耦合动力特性分析，水利学报，1995，1
[34] 黄涛，水流压力脉动的特性及模型相似率，水利学报，1993，1
[35] 梁在潮，紊流相干结构与脉动壁压，水利学报，1985，8
[36] 倪汗根，水流脉动压力的相似率，大连工学院学报，1982，3
[37] 赵耀南，重力相似率水力模型中紊流微结构的相似率，水利学报，1988，8
[38] 黄锦林，三峡导墙流激振动仿真研究，天津大学硕士论文，1997，3
[39] 陈玲岭，钱胜国，三峡溢流坝左导墙流激振动有限元计算分析，人民长江，2003，3
[40] 张声鸣，陈建，导墙动水压力特性，长江科学院院报，1996，3
[41] 随机振动概论，地震出版社，1982，6
[42] R. E. 克拉夫J. 彭津，结构动力学，科学出版社，1981，11
[43] 吴望一，流体力学，北京大学出版社，1998，10
[44] 俞波，溢洪道泄槽流固耦合振动，天津大学硕士论文，1989，1
[45] 梁兴蓉，崔广涛，泄水建筑物导墙边壁脉动压强特性的研究，天津大学水资源与港湾工程系，1991，12
[46] 郭子中，消能防冲原理与设计，科学出版社，1982
[47] 彭新民，张蕊，郭航忠，向家坝工程消力池导墙荷载特性及体型优化探讨，水利水电技术，2003，9
[48] 季树凯，高水头倒虹吸过流振动研究及结构优化，天津大学硕士学位论文，2001，12
[49] 天津大学水利水电工程系，金沙江向家坝水电站消力池导墙及底板稳定水弹性模型试验研究，2003，7
[50] 天津大学水利水电工程系，雅砻江锦平一级水电站水垫塘水力模型试验研究报告，2002，12
[51] 李敏强，寇纪淞，林丹，李书全，遗传算法的基本理论与应用，科学出版社，2002
[52] 陈国良，王煦法，庄镇泉，王东生，遗传算法及其应用，人民邮电出版社，2001，2
[53] 谢能刚，邵韦循，孙林松，遗传算法在大型水工结构优化设计中的应用，安徽工业大学学报，2001，4
[54] 苑希民，李鸿雁，刘树坤，崔广涛，神经网络和遗传算法在水科学领域的应用
[2] King,D.L.,Hydraulic Model Studies of the Modified Outlet Works Stilling Basin, Bureau of Reclamation, Hydraulics Branch Repr. HYD—573,1967
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[48] 季树凯，高水头倒虹吸过流振动研究及结构优化，天津大学硕士学位论文，2001，12
[49] 天津大学水利水电工程系，金沙江向家坝水电站消力池导墙及底板稳定水弹性模型试验研究，2003，7
[50] 天津大学水利水电工程系，雅砻江锦平一级水电站水垫塘水力模型试验研究报告，2002，12
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[52] 陈国良，王煦法，庄镇泉，王东生，遗传算法及其应用，人民邮电出版社，2001，2
[53] 谢能刚，邵韦循，孙林松，遗传算法在大型水工结构优化设计中的应用，安徽工业大学学报，2001，4
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