自動(dòng)滾筒閘門脈動(dòng)壓力特性試驗(yàn)研究

李利榮 王順

摘要：用于多泥沙河流的自動(dòng)滾筒閘門在自動(dòng)啟閉過程中會(huì)因水流脈動(dòng)壓力而產(chǎn)生振動(dòng)，引起閘體失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)破壞。針對(duì)自動(dòng)滾筒閘門啟閉過程中水流邊界條件情況，制作了滾筒閘門模型，對(duì)不同上游水位、不同開度時(shí)水流脈動(dòng)壓力進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，自動(dòng)滾筒閘門水流脈動(dòng)壓力過程具有呈正態(tài)分布的隨機(jī)平穩(wěn)特性，閘門脈動(dòng)壓力主頻為軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率，閘體下緣跌坎處旋渦導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大而產(chǎn)生0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，低頻脈動(dòng)壓力沿閘體迎水面向上游傳遞，振幅逐漸減小。脈動(dòng)壓力主頻幅值與閘下開度正相關(guān)，與上游水深負(fù)相關(guān)，低頻脈動(dòng)壓力幅值與閘下開度負(fù)相關(guān);過圓筒中心逆時(shí)針角度為0°、45°、90°、135°、180°對(duì)應(yīng)的圓筒壁處布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，水深由28.04cm至34.04cm時(shí)其脈動(dòng)壓力主頻幅值分別減小了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%，閘下開度由0cm增大到5.0cm時(shí)脈動(dòng)壓力主頻幅值增大了139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)滾筒閘門;脈動(dòng)壓力特性;模型試驗(yàn);多泥沙河道

中圖分類號(hào)：TV663⁺.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

自動(dòng)滾筒閘門是用于多泥沙河流的新型自動(dòng)閘門，是在重力及水動(dòng)力共同作用下自動(dòng)翻滾實(shí)現(xiàn)啟閉的自控閘門。在啟閉過程中，閘門附近流態(tài)變化大，流場(chǎng)及閘門受力復(fù)雜，在高速水流的紊動(dòng)作用下，閘門受到脈動(dòng)水壓力會(huì)引起閘體振動(dòng)，導(dǎo)致閘體失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)破壞，直接影響水工建筑物的穩(wěn)定及安全，是影響水工建筑物運(yùn)行的主要荷載，也是自動(dòng)滾筒閘門研究的重點(diǎn)。關(guān)于水流脈動(dòng)壓力的研究已有較多成果，鑒于高速水流的復(fù)雜性，脈動(dòng)壓力計(jì)算難度較大、精度較低，主要通過模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。關(guān)于水工建筑物脈動(dòng)壓力的研究主要集中在水力消力、消能設(shè)施、溢流壩壩體上的脈動(dòng)壓力方面[1]。WANG Ruwei[2]通過物理模型試驗(yàn)研究了X形寬口閘門消能墩的時(shí)均脈動(dòng)壓力。HUANG Hu等[3]對(duì)平板閘門脈動(dòng)壓力進(jìn)行研究認(rèn)為，隨著水位的上升，脈動(dòng)壓力頻率減小、閘門底部作用脈動(dòng)功率減小。辜晉德等[4-5]研究了水躍區(qū)底部脈動(dòng)壓力沿程變化規(guī)律，認(rèn)為水躍區(qū)脈動(dòng)壓力主頻在10Hz以下。張少濟(jì)等[6-7]對(duì)消力塘透水底板脈動(dòng)壓力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為透水底板上下表面的脈動(dòng)壓力相位差較不透水底板小。張銘等[8]對(duì)高含沙水流脈動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到含沙水流脈動(dòng)壓力能量大部分集中在0.4Hz內(nèi)。自動(dòng)滾筒閘門是一種新型閘門，有必要對(duì)其受力特性、脈動(dòng)壓力等進(jìn)行系統(tǒng)研究，筆者通過模型試驗(yàn)探討了自動(dòng)滾筒閘門脈動(dòng)壓力特性。

1 模型試驗(yàn)

自動(dòng)滾筒閘門是根據(jù)上游水壓力和閘體配重間相對(duì)關(guān)系實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滾動(dòng)啟閉的閘門，閘前有泥沙淤積時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟。閘體是垂直于水流方向的橫置圓筒，滾筒下游端設(shè)置圓弧面連接直板，水壓力不足時(shí)，弧面直板使水位壅高;圓弧段壅高的水位產(chǎn)生附加力矩使閘門翻滾，自動(dòng)滾筒閘門結(jié)構(gòu)見圖1（a）。閘門啟閉過程中，水流脈動(dòng)壓力引起的共振關(guān)系著閘門的穩(wěn)定及安全運(yùn)行。為便于觀測(cè)瞬時(shí)開度、瞬時(shí)水位對(duì)應(yīng)的閘體脈動(dòng)壓力，本研究將自動(dòng)滾筒閘門簡(jiǎn)化為垂直于水流方向的橫置圓筒，閘體為直徑20.0cm、長(zhǎng)47.0cm的PVC圓筒。為實(shí)現(xiàn)閘體在鉛垂方向升降，兩側(cè)設(shè)置閘槽;閘下設(shè)置半徑為5.0cm的半圓柱形閘坎，以減小下游水位對(duì)閘體的影響，如圖1（b）所示。流速、流量、水壓力分別通過流速儀、電磁流量計(jì)和壓力傳感器測(cè)定。圖1（c）為模型試驗(yàn)示意圖，限于模型尺寸，僅在迎水面過圓筒中心逆時(shí)針角度分別為0°、45°、90°、135°、180°對(duì)應(yīng)的圓筒壁處布設(shè)5個(gè)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#和5#，H為上游水深，。為閘下開度，h為筒頂正上方水深。試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)水循環(huán)系統(tǒng)包括地下蓄水池、泵站、平水塔、調(diào)節(jié)閥、固定水槽。固定水槽由進(jìn)水段、工作段、退水段組成，根據(jù)水工實(shí)驗(yàn)室空間大小，固定水槽尺寸為2000cm×50cm×90cm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，通過角鋼支撐，上游槽底坡降i=0.124%。為使上游水流在近閘體時(shí)流態(tài)邊界層充分發(fā)展，閘體布設(shè)在距170.0cm處;為使下游水流不影響閘后流態(tài)，在下游退水段距30.0cm處設(shè)置長(zhǎng)20.0cm的跌坎。瞬時(shí)壓力用CYB131壓力傳感器觀測(cè)，量程為0～3kPa，用 EaziDAQ軟件記錄數(shù)據(jù)。

2 脈動(dòng)壓力特性

在閘門啟閉過程中，水流流態(tài)變化復(fù)雜，流體在閘體上產(chǎn)生的作用力不均勻，在局部位置產(chǎn)生短時(shí)間較大或較集中且有一定周期性的作用力，即脈動(dòng)壓力，當(dāng)脈動(dòng)壓力主頻與自振主頻相同時(shí)，可能發(fā)生危害較嚴(yán)重的共振。用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過傅里葉變換計(jì)算各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域值。脈動(dòng)壓力幅值Δp用瞬時(shí)壓力與時(shí)均壓力差表示。

2.1 同一邊界條件下閘體脈動(dòng)壓力特性

圖2為開度2.0cm、上游水深32.04cm時(shí)水流脈動(dòng)壓力時(shí)域過程線及頻域過程線。由圖2可以看出，各點(diǎn)脈動(dòng)壓力周期性顯著，但閘體不同位置脈動(dòng)壓力幅值不同，且變化較大。

圖2（a）為1#點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程線，表現(xiàn)為隨機(jī)平穩(wěn)過程特性，其幅值變化區(qū)間為0.12～-0.12kPa，脈動(dòng)壓力幅值較平穩(wěn)，脈動(dòng)壓力最大值為時(shí)均壓力的128%。1#點(diǎn)位于閘體頂部，上游水深H=32.04cm時(shí)閘體頂部淹沒，沿閘體形成繞流，閘體頂端水流紊動(dòng)強(qiáng)度小，流體流向與壓力傳感器軸線方向垂直，因此該點(diǎn)脈動(dòng)壓力曲線呈現(xiàn)出正態(tài)分布的隨機(jī)過程特性。圖2（b）為2#點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程線，可見其脈動(dòng)壓力幅值較1#點(diǎn)降低，變幅紊亂，變化不均勻，脈動(dòng)壓力最大值為時(shí)均壓力的104%。對(duì)比圖2（b）～（e）發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)壓力幅值從閘體頂部到閘體底部呈逐漸增大趨勢(shì)，幅值變化幅度呈增大趨勢(shì)。從1#點(diǎn)到5#點(diǎn)水流紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。由圖2（e）可知，5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程線幅值變化最大，變化范圍為0.30～-0.30kPa，脈動(dòng)壓力最大值為時(shí)均壓力值的290%，且幅值變化不均勻，原因是5#點(diǎn)位于閘體底部，在高速水流的作用下，下游跌坎處產(chǎn)生旋渦，5#點(diǎn)區(qū)域?yàn)樨?fù)壓產(chǎn)生區(qū)，該區(qū)域水流紊動(dòng)強(qiáng)度大，因此脈動(dòng)壓力幅值變化較大。

分析脈動(dòng)壓力頻譜特性對(duì)研究水流的紊動(dòng)特性有重要意義，通過頻譜分析可得到水流脈動(dòng)能量在頻域上的分布情況，通過傅里葉變換得到各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域過程線，見圖2（f）。由圖2（f）可以看出，從1#點(diǎn)到5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域逐漸變寬，即水流紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大，脈動(dòng)壓力主頻為49.8Hz，主頻接近軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率。分析原因可能為固定水槽距泵站較近（約20m），軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率傳遞所致，觀測(cè)到的脈動(dòng)壓力主頻為軸流泵主頻。3#、4#、5#點(diǎn)存在0.5Hz的低頻脈動(dòng)壓力，低頻壓力脈動(dòng)幅值分別為0.005、0.020、0.030kPa。分析認(rèn)為下游跌坎處渦旋旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致閘底處水流紊動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)生低頻脈動(dòng)壓力，因此從3#到5#點(diǎn)低頻脈動(dòng)壓力幅值逐漸增大，脈動(dòng)壓力能量頻帶逐漸變寬。1#、2#點(diǎn)低頻脈動(dòng)壓力不明顯，原因是閘頂水流紊動(dòng)強(qiáng)度小，閘底脈動(dòng)壓力主要由低能量、高頻率的渦旋及負(fù)壓產(chǎn)生。

2.2 上游水深對(duì)脈動(dòng)壓力特性的影響

水流脈動(dòng)壓力是流速脈動(dòng)和時(shí)均剪切力共同作用的結(jié)果，上游水深決定過閘流速、流量，直接影響閘體脈動(dòng)壓力。以閘下開度e=2.0cm、上游水深H=28.04、30.02、32.04、34.04cm為例，進(jìn)行不同上游水深脈動(dòng)壓力特性試驗(yàn)研究。不同上游水深下脈動(dòng)壓力頻域曲線見圖3。

由圖3可以看出，從1#點(diǎn)到5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量分布頻域逐漸變寬，即水流紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大，同時(shí)還可以看出脈動(dòng)壓力主頻為49.8Hz，主頻幅值與上游水深負(fù)相關(guān)，主頻幅值隨著上游水位的升高而減小，進(jìn)一步說明脈動(dòng)壓力主頻為軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率。由圖3（a）可以看出，1#點(diǎn)脈動(dòng)壓力主頻為49.8Hz，上游水深由28.04cm增大至34.04cm，主頻幅值由0.11kPa下降到0.098kPa，降低了10.9%，且不存在顯著的低頻脈動(dòng)壓力，1#點(diǎn)位于閘體正上方，水流紊動(dòng)強(qiáng)度小。由圖3（b）可知，2#點(diǎn)存在0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，幅值為0.006kPa，且與上游水深相關(guān)性較弱，其主頻仍為49.8Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，主頻幅值由0.006kPa下降到0.005kPa，降低了13.3%。圖3（c）為3#點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域圖，3#點(diǎn)存在0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，且幅值較小，頻率及幅值與上游水深相關(guān)性較弱。該點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量分布頻域?yàn)?～110Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，49.8Hz主頻脈動(dòng)壓力幅值由0.014kPa下降到0.008kPa，降低了42.9%。由圖3（d）可知，4#點(diǎn)存在0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，主頻為49.8Hz，主頻幅值隨上游水深增大而降低，上游水深由28.04cm到34.04cm，主頻幅值由0.063kPa下降到0.05kPa，降低了20.6%。由圖3（e）可見，5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量分布頻域?yàn)?～150Hz，較4#點(diǎn)有所增寬，主頻幅值降低了36.2%;該點(diǎn)0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力幅值為0.04kPa，較1#～4#點(diǎn)幅值增大，低頻脈動(dòng)壓力由跌坎渦旋及負(fù)壓產(chǎn)生。對(duì)比各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域圖發(fā)現(xiàn)，閘體脈動(dòng)壓力主頻幅值隨上游水深的增大而減小，49.8Hz主頻近似于軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率，0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力為跌坎處渦旋及負(fù)壓導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大所致。

2.3 開度對(duì)脈動(dòng)壓力特性的影響

閘下開度直接影響水流流態(tài)、流速，因此直接影響脈動(dòng)壓力。本文以筒頂水深h=5cm，開度e為0、2、4、5cm進(jìn)行試驗(yàn)，分析開度對(duì)脈動(dòng)壓力的影響。

圖4為不同開度的脈動(dòng)壓力頻域曲線。由圖4可知：由閘體迎水面1#點(diǎn)至5#點(diǎn)，脈動(dòng)壓力能量分布頻域逐漸變寬，紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大;脈動(dòng)壓力主頻為49.8Hz，接近軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率，為軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率傳遞導(dǎo)致;主頻幅值隨開度的增大而增大，開度增大導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大，故主頻脈動(dòng)壓力幅值增大;存在0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力。由圖4（a）可以看出，開度為0、2、4、5cm，頻率為0.5Hz時(shí)1#點(diǎn)脈動(dòng)壓力幅值分別為0.020、0.019、0.029、0.083kPa，隨著開度的增大，渦旋及負(fù)壓導(dǎo)致的水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大，因此低頻脈動(dòng)壓力幅值增大。由圖4（b）可知，2#點(diǎn)主頻為49.8Hz，開度由0cm增大到5cm，其低頻脈動(dòng)壓力幅值由0.003kPa增大到0.005kPa。由圖4（c）可以看出，開度由0cm增大到5cm，3#點(diǎn)低頻脈動(dòng)壓力幅值由0.008kPa增大到0.011kPa。由圖4（d）可知，紊動(dòng)強(qiáng)度隨著開度的增大而增大，開度為0、2、4、5cm時(shí)低頻脈動(dòng)壓力幅值為0.008、0.011、0.037、0.043kPa。由圖4（e）可知，5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量分布頻域較寬，為0～150Hz，紊動(dòng)強(qiáng)度最大。滾筒閘體存在0.5Hz的低頻脈動(dòng)壓力，開度為0、2、4、5cm時(shí)低頻脈動(dòng)壓力幅值為0.032、0.033、0.034、0.057kPa。

綜上分析可知，滾筒閘體存在主頻為49.8Hz的脈動(dòng)壓力、次主頻0.5Hz的低頻脈動(dòng)壓力，迎水面由1#點(diǎn)到5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量分布頻域逐漸變寬，紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。脈動(dòng)壓力主頻接近軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率，這是流道短，軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率傳遞所致。滾筒閘體存在0.5Hz的低頻脈動(dòng)壓力，幅值隨開度的增大而增大，閘體下緣5#點(diǎn)后設(shè)置跌坎，有渦旋產(chǎn)生，5#點(diǎn)所在負(fù)壓區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度大，渦旋產(chǎn)生低頻脈動(dòng)壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法，對(duì)自動(dòng)滾筒閘門不同上游水位、不同閘門開度條件下水流脈動(dòng)壓力特性進(jìn)行了研究，通過脈動(dòng)壓力時(shí)域、頻域分布分析，探討了不同邊界條件下自動(dòng)滾筒閘門水流脈動(dòng)壓力特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：紊動(dòng)水流中的滾筒閘門脈動(dòng)壓力表現(xiàn)為隨機(jī)平穩(wěn)時(shí)域過程，各點(diǎn)脈動(dòng)壓力周期明顯，脈動(dòng)壓力幅值因位置而異。

（2）滾筒閘門脈動(dòng)壓力主頻約為軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片頻率，同時(shí)存在0.5Hz的低頻脈動(dòng)壓力，從1#點(diǎn)到5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力能量頻域逐漸增寬，低頻脈動(dòng)壓力幅值逐漸增大。下游閘坎處渦旋旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大而產(chǎn)生低頻脈動(dòng)壓力，低頻脈動(dòng)壓力沿閘體迎水面向上游傳遞，振幅逐漸減小。

（3）上游水深為28.04～34.04cm時(shí)，脈動(dòng)壓力主頻幅值與上游水深負(fù)相關(guān)，主頻幅值隨著上游水深的增大而減小，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，1#點(diǎn)～5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力主頻幅值分別降低了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%。2#點(diǎn)～5#點(diǎn)存在0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，低頻脈動(dòng)壓力幅值與上游水位相關(guān)性較弱。

（4）脈動(dòng)壓力主頻幅值與閘下開度正相關(guān)，開度由0cm增大到5.0cm，1#～5#點(diǎn)脈動(dòng)壓力主頻幅值分別增大139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。跌坎處渦旋導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大而產(chǎn)生0.5Hz低頻脈動(dòng)壓力，低頻脈動(dòng)壓力幅值隨開度的增大逐漸減小。

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