[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

摘要

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。

主权项

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，βi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。