弧形闸门流激振动研究
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摘要
弧形闸门被广泛地应用于水闸和大坝中，采用试验和数值模型结合的方法，有效的分析和评价表孔弧形闸门流激振动，具有重要的工程意义和学术价值。
本文阐明了研究弧形闸门局部开启时流激振动的理论，用水力模型试验测得了水流脉动压力的时空分布，用ANSYS软件和边界元程序建立了闸门的数值模型，以辽宁石佛寺弧形闸门为例，计算了弧形闸门的自振特性，以及闸门局部开启工作时的振动反应，并对闸门运行的安全可靠性进行了评价。
弧门流激振动是流固耦合振动，目前难以精确求解闸门和水体耦合振动的运动方程。为了获得方程的近似解，本文将作用在闸门上的水动力荷载分为两个部分，一是闸门无振动时的水流压力，用水力模型试验测定；二是由于闸门振动引起流场扰动的动水压力，通过运动方程中的附加质量阵，附加阻尼阵和附加刚度阵来等效。
在水力模型试验中，采用了自制的面压力量测装置，实现了点压力到面压力的转换。采用DJ800多功能监测系统对模型多个测点的脉动进行了同步测量，获得了各测点脉动压力的时域过程。并把脉动压力时程作为荷载作用在有限元模型上。
采用功能强大的ANSYS软件实现了闸门结构的有限元建模。运用自编边界元程序计算了闸门扰动时动水压力的分布，进而推导了附加质量阵的简化求法。在模态分析中，精确得到了闸门有水和无水时自振的频率，直观地观察了闸门自振振型。并针对闸门的设计，提出了优化方案。
在论文的最后，运用ANSYS进行了瞬态时程计算，分析了石佛寺闸门在局部开启工作时的振动位移和应力。运用动力可靠度分析，采用首次超越破坏机制，评价了闸门在各种工况下工作时的动力可靠性。
Radial gates are widely used on dams and sluices. It is of practical and theoretical significance to analyze and evaluate the flow-induced vibration of the radial gate with hydraulic experiment and numerical computation.
In the thesis, the theory of the flow-induced vibration of the radial gate is presented. And the flow fluctuating pressure acting on the gate is surveyed with hydraulic experiment. With the ANSYS and BEM program, the numerical model of the gate is established, and the gate structure's dynamic characteristic is analyzed. At last, the dynamic response of the Shifosi Radial Gate is computed and evaluated when the gate works at partial opening.
The flow-induced vibration of the gate is fluid-structure coupling motion. The equation of the motion is difficult to solve. To obtain the approximate solution, the pressure acting on the gate is divided into two parts, one is the fluctuating pressure of the flow underneath the stationary gate, which is investigated with experiment; the other is the hydrodynamic pressure due to the vibration, which is equivalent to the attached mass matrix, damping matrix and stiffness matrix of the equation.
In the hydraulic model experiment, with a homemade device, the pressure acting on an area is obtained from the pressure on a point. The fluctuating pressures acting on the different parts of the gate are measured simultaneously with DJ800. The distribution of the pressure in time and frequency domain is discussed, and the pressure is applied as the load in the subsequent FEM analysis.
With the powerful software ANSYS, the FEM model of the gate is developed. The hydrodynamic pressure due to the coupled vibration is studied with Boundary Element Method, and the simplified formula for the attached mass matrix is derived. In the modal analysis, the natural frequencies of the gate in the water, as well as in the air, are calculated, and the modes are directly observed. In addition, principle of the optimization design is proposed.
Finally, the vibration of the Shifosi Radial Gate is calculated, by performing the transient analysis with ANSYS. And the dynamic response of the gate, the displacement and the stress of the structure, is discussed. Adopting the first-passage failure mechanism, the dynamic reliabilities of the gate at different discharge positions are assessed.
本文阐明了研究弧形闸门局部开启时流激振动的理论，用水力模型试验测得了水流脉动压力的时空分布，用ANSYS软件和边界元程序建立了闸门的数值模型，以辽宁石佛寺弧形闸门为例，计算了弧形闸门的自振特性，以及闸门局部开启工作时的振动反应，并对闸门运行的安全可靠性进行了评价。
弧门流激振动是流固耦合振动，目前难以精确求解闸门和水体耦合振动的运动方程。为了获得方程的近似解，本文将作用在闸门上的水动力荷载分为两个部分，一是闸门无振动时的水流压力，用水力模型试验测定；二是由于闸门振动引起流场扰动的动水压力，通过运动方程中的附加质量阵，附加阻尼阵和附加刚度阵来等效。
在水力模型试验中，采用了自制的面压力量测装置，实现了点压力到面压力的转换。采用DJ800多功能监测系统对模型多个测点的脉动进行了同步测量，获得了各测点脉动压力的时域过程。并把脉动压力时程作为荷载作用在有限元模型上。
采用功能强大的ANSYS软件实现了闸门结构的有限元建模。运用自编边界元程序计算了闸门扰动时动水压力的分布，进而推导了附加质量阵的简化求法。在模态分析中，精确得到了闸门有水和无水时自振的频率，直观地观察了闸门自振振型。并针对闸门的设计，提出了优化方案。
在论文的最后，运用ANSYS进行了瞬态时程计算，分析了石佛寺闸门在局部开启工作时的振动位移和应力。运用动力可靠度分析，采用首次超越破坏机制，评价了闸门在各种工况下工作时的动力可靠性。
Radial gates are widely used on dams and sluices. It is of practical and theoretical significance to analyze and evaluate the flow-induced vibration of the radial gate with hydraulic experiment and numerical computation.
In the thesis, the theory of the flow-induced vibration of the radial gate is presented. And the flow fluctuating pressure acting on the gate is surveyed with hydraulic experiment. With the ANSYS and BEM program, the numerical model of the gate is established, and the gate structure's dynamic characteristic is analyzed. At last, the dynamic response of the Shifosi Radial Gate is computed and evaluated when the gate works at partial opening.
The flow-induced vibration of the gate is fluid-structure coupling motion. The equation of the motion is difficult to solve. To obtain the approximate solution, the pressure acting on the gate is divided into two parts, one is the fluctuating pressure of the flow underneath the stationary gate, which is investigated with experiment; the other is the hydrodynamic pressure due to the vibration, which is equivalent to the attached mass matrix, damping matrix and stiffness matrix of the equation.
In the hydraulic model experiment, with a homemade device, the pressure acting on an area is obtained from the pressure on a point. The fluctuating pressures acting on the different parts of the gate are measured simultaneously with DJ800. The distribution of the pressure in time and frequency domain is discussed, and the pressure is applied as the load in the subsequent FEM analysis.
With the powerful software ANSYS, the FEM model of the gate is developed. The hydrodynamic pressure due to the coupled vibration is studied with Boundary Element Method, and the simplified formula for the attached mass matrix is derived. In the modal analysis, the natural frequencies of the gate in the water, as well as in the air, are calculated, and the modes are directly observed. In addition, principle of the optimization design is proposed.
Finally, the vibration of the Shifosi Radial Gate is calculated, by performing the transient analysis with ANSYS. And the dynamic response of the gate, the displacement and the stress of the structure, is discussed. Adopting the first-passage failure mechanism, the dynamic reliabilities of the gate at different discharge positions are assessed.
引文
1．严根华，阎诗武，水工弧形闸门三维水弹耦合共振频率的数值计算，水利水运科学研究，1993，(1)，PP45-52
2．徐振东，杜丽惠，才君眉，平面闸门流固耦合自振特性研究，水力发电，2001，(4)，PP19-43
3．阎诗武，严根华，蒋梁等，偏心铰弧形闸门的流激振动，水利水运科学研究，1995，(4)，PP363-372
4．姜文潭，邵龙潭，张永利等，高拱坝泄洪中孔弧形闸门振动试验研究，大连理工大学学报，1994，34(1)，PP68-74
5．任济民，露顶式弧形闸门侧止水结构的改进，海河水利，2000，(1)，PP20-22
6．尤聿宁，李贵谋，水工闸门止水橡皮的摩擦特性，农田水利与小水电，1995，(7)，PP29-33
7．严根华，阎诗武，水工弧形闸门的水弹性耦合自振特性研究，水利学报，1990，(7)，PP49-55
8．严根华，水动力荷载与闸门振动，水利水运工程学报，2001，(6)，PP10-15
9．倪汉根，平板闸门振动中的两个问题，大连工学院学刊，1964，(4)，PP37-53
10．潘锦江，陈小涛，浅谈闸门的振动问题，广东水利水电，2001，(2)，PP6-8
11．冯先明，李玉芷，南彦波，子洪水库弧形闸门事故分析与处理，山西水利科技，1999，(1)，PP64-66
12．黄廷璞等，我国低水头弧形闸门失事调查和初步分析，金属结构，1986，(2)
13．阎诗武，泻水结构振动振源分析(二)，人民珠江，1999，(3)
14，肖天铎，钱磷，各型二元挡水板或墙上的地震动水压力，水利学报，1980，(2)，PP1-13
15．刘礼华，袁文阳，孟吉复等，凤滩弧形闸门局部开启原型振动试验研究，武汉水利电力大学学报，1997，30(3)，PP29-33
16．马建敏，吕景林，黄协清等，用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算，机械科学与技术，1998，17(6)，PP959-961
17．吴杰芳，张林让，陈敏中等，三峡大坝导流底孔闸门流激振动水弹性模型试验研究，长江科学院院报，2001，18(5)，PP76-79
18．曹青，王光纶，才君眉，弧形闸门自振特性研究，水利水电技术，2001，(5)，PP16-19
19. N. Ishii, E. Naudascher, A Design for Dynamic Stability of Tainter Gates, Journal of Fluids and Structures, 1992, (6), PP67-84
20. N. Ishii, Flow-induced vibration of Long-span Gates Part Ⅰ: Model development, Journal of Fluids and Structures, 1992, (6), PP539-562
21. N. Ishii, C. W. Knisely, Flow-induced vibration of Shell-type Long-span Gates, Journal of Fluids and Structures, 1992, (6), PP681-703
22. N. Ishii, C. W. Knisely, A. Nakata, Coupled-mode Vibration of Gates with Simultaneous Over- and Underflow, Journal of Fluids and Structures, 1994, (8), PP455-469
23. Nguyen D. Thang, Gate Vibrations due to Unstable Flow Separation. Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 116(3), PP342-361
24．陈怀海，重力坝—库水—地基动力相互作用研究及应用，大连理工大学博士学位论文，1993
25．严根华，阎诗武，流激闸门振动及动态优化设计，水利水运科学研究，1999，(1)，PP12-22
26．王雨苗，路观平，张法宝，水流脉动压力的谱特性及相干尺度，合肥工业大学学报(自然科学版)，1998，21(5)，PP71-76
27．唐祥甫，宁廷俊，陈元清，浅谈水力学面脉动压力的计算，长江科学院院报，2000，17(4)，PP8-11
28．大连理工大学土木系，石佛寺水库弧形工作闸门脉动压力模型试验和结构动力分析计算研究报告，2002
29. Hart E. D, Hite J. E., Barkley Dam Gate Vibrations, Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations, Kralsruhe: IAHR/UTAM, 1980, PP890～906
30. Noriaki Ishii, Kensaku Imaichi, Akio Hirose, Dynamic Instability of Tainter-Gates, Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations, Kralsruhe: IAHR/UTAM, 1980, PP452-460
31．严根华，阎诗武等，高水头大尺寸闸门流激振动原型观测研究，水力发电学报，2001，(4)，PP65-75
32．练继建，彭新民，崔广涛等，水工闸门振动稳定性研究，天津大学学报，1999，32(2)，PP172-176
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)，PP27-34
34．张标标，张宗杰，刘永长等，水电站弧形闸门的模态试验与分析方法，水力发电，1998，(12)，PP44-45
35．吴杰芳，三峡船闸反弧门水弹性振动初步试验研究，长江科学院院报，1995，12(1)，PP67-73
36．梁枢果，瞿伟廉，李桂青，高层建筑与高耸结构抗风可靠性分析综述，武汉工业大学学报，1996，18(4)，PP48-52
37．严根华，阎诗武，弧形闸门结构的动力可靠性及抗振设计，水利水运科学研究，2000，(1)，PP8-13
38. N. D. Thang, E. Naudascher, Self-excited Vibrations of Vertical-lift Gates, Journal of Hydraulic Research, 1986, 24(5), PP391-404
39. N. D. Thang, E. Naudascher, Vortex-excited Vibrations of Underflow Gates, Journal of Hydraulic Research, 1986, 24(2), PP133-151
40．迟世春，顾淦臣，考虑水体压缩性与不考虑水体压缩性坝水系统基频及振型的比较，华北水利水电学院学报，1995，16(1)，PP10-15
41．张耀先，郑万勇，孟昭岭等，黄河柳园口涵闸闸门振动问题研究，黄河水利职业技术学院学报，2000，12(4)，PP10-13
42．张文渊，水工闸门产生振动的原因分析，西北水资源与水工程，1999，10(1)，PP59-61
43．Martin Hindley，福尔瑟姆坝溢洪道闸门失事调查，水利水电快报，1996，17(13)，PP12-14
44．董淑芳，淹没水跃诱发平板闸门振动机理，山东水利科技，1998，(1)，PP25-26
45．陈春庭，水工模型试验(第二版)，水利水电出版社，1985
46．陈肇和等译，泄水建筑物水力计算手册，水利水电出版社，1993
47．华东水利学院，水工设计手册(第三卷，结构计算)，水利电力出版社，1984
48．杨兆福，水工金属结构，水利电力出版社，1989
49．李桂青，曹宏，李秋胜等，结构动力可靠性理论及其应用，地震出版社，1993
50，李庆斌，周鸿钧，林皋等，特解边界元法及其工程应用，科学技术文献出版社，1992
51．魏兆正，边界单元法及工程应用，大连理工出版社，1990
52．李瑞遐，有限元法与边界元法，上海科技教育出版社，1991
53．张廷芳，计算流体力学，大连理工出版社，1992
2．徐振东，杜丽惠，才君眉，平面闸门流固耦合自振特性研究，水力发电，2001，(4)，PP19-43
3．阎诗武，严根华，蒋梁等，偏心铰弧形闸门的流激振动，水利水运科学研究，1995，(4)，PP363-372
4．姜文潭，邵龙潭，张永利等，高拱坝泄洪中孔弧形闸门振动试验研究，大连理工大学学报，1994，34(1)，PP68-74
5．任济民，露顶式弧形闸门侧止水结构的改进，海河水利，2000，(1)，PP20-22
6．尤聿宁，李贵谋，水工闸门止水橡皮的摩擦特性，农田水利与小水电，1995，(7)，PP29-33
7．严根华，阎诗武，水工弧形闸门的水弹性耦合自振特性研究，水利学报，1990，(7)，PP49-55
8．严根华，水动力荷载与闸门振动，水利水运工程学报，2001，(6)，PP10-15
9．倪汉根，平板闸门振动中的两个问题，大连工学院学刊，1964，(4)，PP37-53
10．潘锦江，陈小涛，浅谈闸门的振动问题，广东水利水电，2001，(2)，PP6-8
11．冯先明，李玉芷，南彦波，子洪水库弧形闸门事故分析与处理，山西水利科技，1999，(1)，PP64-66
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13．阎诗武，泻水结构振动振源分析(二)，人民珠江，1999，(3)
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16．马建敏，吕景林，黄协清等，用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算，机械科学与技术，1998，17(6)，PP959-961
17．吴杰芳，张林让，陈敏中等，三峡大坝导流底孔闸门流激振动水弹性模型试验研究，长江科学院院报，2001，18(5)，PP76-79
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21. N. Ishii, C. W. Knisely, Flow-induced vibration of Shell-type Long-span Gates, Journal of Fluids and Structures, 1992, (6), PP681-703
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24．陈怀海，重力坝—库水—地基动力相互作用研究及应用，大连理工大学博士学位论文，1993
25．严根华，阎诗武，流激闸门振动及动态优化设计，水利水运科学研究，1999，(1)，PP12-22
26．王雨苗，路观平，张法宝，水流脉动压力的谱特性及相干尺度，合肥工业大学学报(自然科学版)，1998，21(5)，PP71-76
27．唐祥甫，宁廷俊，陈元清，浅谈水力学面脉动压力的计算，长江科学院院报，2000，17(4)，PP8-11
28．大连理工大学土木系，石佛寺水库弧形工作闸门脉动压力模型试验和结构动力分析计算研究报告，2002
29. Hart E. D, Hite J. E., Barkley Dam Gate Vibrations, Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations, Kralsruhe: IAHR/UTAM, 1980, PP890～906
30. Noriaki Ishii, Kensaku Imaichi, Akio Hirose, Dynamic Instability of Tainter-Gates, Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations, Kralsruhe: IAHR/UTAM, 1980, PP452-460
31．严根华，阎诗武等，高水头大尺寸闸门流激振动原型观测研究，水力发电学报，2001，(4)，PP65-75
32．练继建，彭新民，崔广涛等，水工闸门振动稳定性研究，天津大学学报，1999，32(2)，PP172-176
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)，PP27-34
34．张标标，张宗杰，刘永长等，水电站弧形闸门的模态试验与分析方法，水力发电，1998，(12)，PP44-45
35．吴杰芳，三峡船闸反弧门水弹性振动初步试验研究，长江科学院院报，1995，12(1)，PP67-73
36．梁枢果，瞿伟廉，李桂青，高层建筑与高耸结构抗风可靠性分析综述，武汉工业大学学报，1996，18(4)，PP48-52
37．严根华，阎诗武，弧形闸门结构的动力可靠性及抗振设计，水利水运科学研究，2000，(1)，PP8-13
38. N. D. Thang, E. Naudascher, Self-excited Vibrations of Vertical-lift Gates, Journal of Hydraulic Research, 1986, 24(5), PP391-404
39. N. D. Thang, E. Naudascher, Vortex-excited Vibrations of Underflow Gates, Journal of Hydraulic Research, 1986, 24(2), PP133-151
40．迟世春，顾淦臣，考虑水体压缩性与不考虑水体压缩性坝水系统基频及振型的比较，华北水利水电学院学报，1995，16(1)，PP10-15
41．张耀先，郑万勇，孟昭岭等，黄河柳园口涵闸闸门振动问题研究，黄河水利职业技术学院学报，2000，12(4)，PP10-13
42．张文渊，水工闸门产生振动的原因分析，西北水资源与水工程，1999，10(1)，PP59-61
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44．董淑芳，淹没水跃诱发平板闸门振动机理，山东水利科技，1998，(1)，PP25-26
45．陈春庭，水工模型试验(第二版)，水利水电出版社，1985
46．陈肇和等译，泄水建筑物水力计算手册，水利水电出版社，1993
47．华东水利学院，水工设计手册(第三卷，结构计算)，水利电力出版社，1984
48．杨兆福，水工金属结构，水利电力出版社，1989
49．李桂青，曹宏，李秋胜等，结构动力可靠性理论及其应用，地震出版社，1993
50，李庆斌，周鸿钧，林皋等，特解边界元法及其工程应用，科学技术文献出版社，1992
51．魏兆正，边界单元法及工程应用，大连理工出版社，1990
52．李瑞遐，有限元法与边界元法，上海科技教育出版社，1991
53．张廷芳，计算流体力学，大连理工出版社，1992
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