基于点源（汇）附加质量法的平面闸门流固耦合振动特性研究

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1、基于点源（汇）附加质量法的平面闸门流固耦合振动特性研究第一章绪论1.1研究背景及现状水能的发展成为国家未来能源发展的重点。西部地区的水能资源占全国水能资源的70%以上，是我国水能资源的富集区，具有非常广阔的水能资源开发前景[1]。随着国民经济发展我国的能源危机日益突现，为保持国民经济持续、健康、稳定发展，满足经济发展对电力日益增长的需求，在西部大开发战略中，水电开发将肩负重要的历史使命。目前，我国己建大型水电站多座，继三峡水电站之后，我国又有一批大型水电站正在开工建设，随着大量水电站投产运行，作为水工建筑物的重要组成部分之一的间门的振动问题也日益突出。阐门的作用

2、是封闭水工建筑物的孔口，并且能够满足工程需要全部或局部开启，可靠地调节控制上下游水位。闹门通过有效调节可以以获得防洪、灌溉、引水发电、通航、过木以及排除泥沙以及其他漂浮物等效益。是水工建筑物的重要组成部分之一。在早期的水利工程建设中，一般通过小现蓄水然后输送到旁边的灌溉渠道中，但是过量的水则是通过规顶来排放。随着时代的发展，在水利工程中出现了可移动的琐一闸门。阐门的建设通常都是是与灌溉、发电、供水及河流航运系统紧密联系在一起的。1830年左右，历史上第一座金属阐门出现[2]。随着进入新世纪，各种各样的闸门随即出现，现在具有代表性的间门形式主要有平面间门、弧形闹门

3、、人字门、扇形间门、翻板闹门等。而且现有的间门类型也出现了很大的发展，但是随着一些大型水利工程的建设，我们也面临着修建更大闹门的挑战。在众多的水工闹门类型当中，平面闹门是在水利水电工程建设中使用最为广泛的间门型式。平面阐门有着构造简单，制造、安装、维修方便等优点。而且还具有互换性[3]。但是在近几年，随着高水头水工建筑的发展，平面闹门的应用受到了很大的限制。主要是因为平面启闭力大，局部运行时运行工况差、门槽对水流影响大。但是同时作为事故闸门，平板间门又是不可或缺的存在，如在发电引水道和泄水水道中一般都是釆用平面间门来进水。.1.2研究途径及基本技术路线原型观测方

4、法、试验方法和数值计算方法是目前研究平面闸门自振特性的三种主要方法[3]。原型观测方法顾名思义就是对已建泄水建筑物进行原型观测，因为是对工程结构的直接观测，所以原型观测法可以取得的很多资料都具有重要的实际意义，其中之一便是可以用于检验水工模型试验的成果，同时也可以为解决缩尺效应问题提供资料依据；由观测资料也可以对若干水流问题直接进行研究，并提出有效的减振措施；在工程的安全检测、优化调度服务中这些资料也有很高的借鉴价值；也是平面闹门静动力分析研究时的重要的依据。原型观测法在我国已经得到了很大的应用，其中很多科研单位和高等院校对各类闹门也都进行过水力学方面的原型观测

5、，通过原型观测法他们取得可不少很有价值的资料，同时也解决了许多工程中存在的一些问题。其中进行过间门水力学原型观测研究的工程有梅山、洋河、云峰、红山、三门峡、葛洲琐、刘家峡、海河闹、丹江口等几十个。.第二章弹性结构与流体的耦联振动和平面闹门有限元分析水利、船舶、海洋以及航空航天等工程领域都对有着深入的研宄。流固親合动力学是十分重要的多学科交叉的研宄课题。它是一门尚处于发展阶段边缘学科。流固親合动力学主要是研究固体在流场作用下的各种行为，以及固体变形或运动对流场的影响的一门学科。当处在流体中的弹性结构受到动荷载作用时它们将产生振动，而这种振动又通过对界面的激励从而在

6、流体中产生附加的动压力，同时这附加动压力又通过界面再次引起结构的动力响应，这个就是结构与流体的稱合响应的过程[62]。流固稱合系统的求解中对于有复杂边界条件的实际工程问题一般使用的方法有：有限元法_、边界元法[34]、有限差分法或是这几种方法的混合方法[64]。其中以有限元的使用最为广泛，主要是因为有限元法对处理这类复杂边界工程问题具有明显的的优越性[65]。..2.1有限元法有限元法，同时也称有限单元法，是一种结构矩阵分析方法起源于五十年代航空工程中Clough于I960年第一次采用有限单元法这一术语，也简称有限元法。经过近几十年的不断发展，在航天航空、机械制

7、造、土木工程、汽车交通、国防军工等各领域有限单元法已经成为解决实际工程问题的有效方法。有限元法也成为了计算机辅助设计及计算机辅助制造的重要组成部分。.2.2运动基本方程的建立平面闸门本质上就是一个完整的空间结构体系，所以外荷载作用力也应该是由闹门各组成构件共同传递分担的。因此，只有按空间体系分析方法对闸门结构进行分析，才能更准确的反映实际的工作情况。再弗拉索夫的开口薄壁杆件理论提出后，按空间体系来分阐门结构的方法才在工程界里应用起来，即用有限单元法来分析平面闹门。在平面阐门的空间有限元分析计算中我们一般釆用梁板组合结构和纯板结构这两种模型。本文所釆用得正是梁板组

8、合结构模型。对于板壳单元