[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

权利要求书

1.一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：

式中，t为所述一字闸门的旋转时间，l为启闭机的活塞杆运行行程，β_i为所述一字闸门的旋转角度，a₀为所述一字闸门全开时启闭机旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，b为所述一字闸门旋转轴到启闭机的活塞杆与所述一字闸门连接处的距离，c为启闭机旋转轴到所述一字闸门旋转轴的距离，β₀为所述一字闸门全开时活塞杆与所述一字闸门连接处同所述一字闸门旋转轴的连线与启闭机旋转轴同所述一字闸门旋转轴的连线之间的夹角；

第六步、将所述一字闸门的淹没水深、大气压力作为初始条件，并设定所述一字闸门的Z轴方向受重力作用，所述一字闸门启闭时为静水过程启闭；

根据第二步设定的边界条件、第四步中模拟的自由液面以及第五步中设定的所述一字闸门的运动角速度，对第四步得到的紊流控制方程进行求解，得到所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力；

对所述紊流控制方程求解时,首先采用有限体积法对所述紊流控制方程按剖分后的网格进行离散处理,从而得到一个代数方程组,利用第二步设定的边界条件使该代数方程组封闭,然后对该代数方程组求解；

第七步、根据所述一字闸门在旋转过程中水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力，就可以计算出所述一字闸门在旋转过程中任一时刻的动水阻力矩数值。

2.根据权利要求1所述的船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，其特征在于：将第二步中生成的网格导入到液体计算平台FLUENT中后先进行网格检查，确保网格的精度在预设精度范围内且不存在负体积网格，否则返回第二步重新对一字闸门、门库及闸室的三维几何模型进行网格剖分。

3.根据权利要求1所述的船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，其特征在于：第六步中计算水流对所述一字闸门表面上任一点的水压力和粘滞力时，所述一字闸门在旋转过程中对一字闸门的网格采用2.5D动网格方法结合弹簧光顺法进行重构；并对所述紊流控制方程按重构后的网格进行离散处理。

4.根据权利要求1所述的船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，其特征在于：第二步中所述一字闸门各侧面的边界类型设置为刚体运动。

5.根据权利要求1所述的船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，其特征在于：第六步中采用PISO算法对所述代数方程组求解。

6.根据权利要求3所述的船闸一字闸门启闭时动水阻力矩的数值模拟方法，其特征在于：第二步中进行网格剖分时，先在三维几何模型的投影面上生成平面二维网格，再将平面二维网格沿投影线方向纵向拉伸为棱柱体网格；其中在生成平面二维网格时，所述门库采用三角形非结构网格，所述闸室采用四边形结构网格。