[發(fā)明專利]一種船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610015789.7
• 申請(qǐng)日: 2016-01-11
• 公開（公告）號(hào): CN105512432B
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李云;陳瓊;劉本芹;徐新敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06T17/00;G06T19/00
• 代理公司: 南京同澤專利事務(wù)所(特殊普通合伙) 32245
• 代理人: 閆彪;趙洪玉

1.一種船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

第一步、根據(jù)所需模擬一字閘門的實(shí)際工程布置尺寸，以所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閆軸繪制一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型；

第二步、對(duì)第一步生成的一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并設(shè)置網(wǎng)格的邊界類型，其中閘室頂面的邊界設(shè)置為壓力邊界，所述一字閘門的邊界設(shè)置為運(yùn)動(dòng)邊界，其他邊界設(shè)置為壁面邊界；

第三步、將第二步中生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到液體計(jì)算平臺(tái)FLUENT中；

第四步、采用Realizable k-ε湍流模型模擬所述一字閘門旋轉(zhuǎn)啟閉過程中的水體流動(dòng)狀態(tài)，從而得到紊流控制方程；采用兩相流VOF模型模擬船閘處的自由液面，并設(shè)定空氣為主相、水為第二相；

第五步、設(shè)定所述一字閘門的運(yùn)動(dòng)角速度ω(t)如下式所示：

式中，t為所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，l為啟閉機(jī)的活塞桿運(yùn)行行程，β_i為所述一字閘門的旋轉(zhuǎn)角度，a₀為所述一字閘門全開時(shí)啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸到啟閉機(jī)的活塞桿與所述一字閘門連接處的距離，b為所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸到啟閉機(jī)的活塞桿與所述一字閘門連接處的距離，c為啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸到所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸的距離，β₀為所述一字閘門全開時(shí)活塞桿與所述一字閘門連接處同所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸的連線與啟閉機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同所述一字閘門旋轉(zhuǎn)軸的連線之間的夾角；

第六步、將所述一字閘門的淹沒水深、大氣壓力作為初始條件，并設(shè)定所述一字閘門的Z軸方向受重力作用，所述一字閘門啟閉時(shí)為靜水過程啟閉；

根據(jù)第二步設(shè)定的邊界條件、第四步中模擬的自由液面以及第五步中設(shè)定的所述一字閘門的運(yùn)動(dòng)角速度，對(duì)第四步得到的紊流控制方程進(jìn)行求解，得到所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中水流對(duì)所述一字閘門表面上任一點(diǎn)的水壓力和粘滯力；

對(duì)所述紊流控制方程求解時(shí),首先采用有限體積法對(duì)所述紊流控制方程按剖分后的網(wǎng)格進(jìn)行離散處理,從而得到一個(gè)代數(shù)方程組,利用第二步設(shè)定的邊界條件使該代數(shù)方程組封閉,然后對(duì)該代數(shù)方程組求解；

第七步、根據(jù)所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中水流對(duì)所述一字閘門表面上任一點(diǎn)的水壓力和粘滯力，就可以計(jì)算出所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中任一時(shí)刻的動(dòng)水阻力矩?cái)?shù)值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，其特征在于：將第二步中生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到液體計(jì)算平臺(tái)FLUENT中后先進(jìn)行網(wǎng)格檢查，確保網(wǎng)格的精度在預(yù)設(shè)精度范圍內(nèi)且不存在負(fù)體積網(wǎng)格，否則返回第二步重新對(duì)一字閘門、門庫及閘室的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，其特征在于：第六步中計(jì)算水流對(duì)所述一字閘門表面上任一點(diǎn)的水壓力和粘滯力時(shí)，所述一字閘門在旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)一字閘門的網(wǎng)格采用2.5D動(dòng)網(wǎng)格方法結(jié)合彈簧光順法進(jìn)行重構(gòu)；并對(duì)所述紊流控制方程按重構(gòu)后的網(wǎng)格進(jìn)行離散處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，其特征在于：第二步中所述一字閘門各側(cè)面的邊界類型設(shè)置為剛體運(yùn)動(dòng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，其特征在于：第六步中采用PISO算法對(duì)所述代數(shù)方程組求解。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船閘一字閘門啟閉時(shí)動(dòng)水阻力矩的數(shù)值模擬方法，其特征在于：第二步中進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，先在三維幾何模型的投影面上生成平面二維網(wǎng)格，再將平面二維網(wǎng)格沿投影線方向縱向拉伸為棱柱體網(wǎng)格；其中在生成平面二維網(wǎng)格時(shí)，所述門庫采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所述閘室采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。