前言

我国水利水电高坝工程的泄水闸门具有水头高、流量大的特点。泄水建筑物的平面事故闸门担负着紧急情况下动水下闸、防止事故扩大的重任，闸门动水关闭的可靠性直接影响着工程的泄水安全。高水头及高流速下闸门的水动力特性十分复杂，闸门水动力荷载受闸门体型、作用水头及流速、启闭速度及通气等诸多因素的影响，闸门体型设计不良、荷载计算产生偏差时容易导致闸门不能正常关闭等安全问题。系统研究高水头平面闸门复杂的水动力特性，提出有利于闸门动水关闭可靠性的措施及方法，对于高水头闸门的设计和安全运行具有重要意义。

平面事故闸门动水下门属于非恒定的水气两相湍流运动，闸门区水流为复杂的绕流及射流现象，闸门水动力特性不仅与闸门体型及水力条件相关，还受闸门的重力、水体的附加质量以及惯性力等综合作用影响，问题十分复杂，目前尚无一套成熟的理论及计算方法可供参考，也缺乏系统和深入地研究。本书针对高水头平面闸门动水关闭的水动力特性问题，结合典型平面事故闸门的模型试验分析了闸门动水关闭水流及水动力荷载的变化特征；在物理模型试验及原型观测结果验证数值模拟方法的基础上，系统深入地研究了闸门底缘体型、水头及启闭速度等参数和闸门水动力特性的影响关系，揭示了闸门上托力及上托力系数随上游底缘倾角和厚度参数组合变化的关系，给出了下吸力系数和淹没水头系数的定量关系计算公式，并提出了闸门体型设计的相关建议。研究成果不仅可为高水头闸门的设计、应用及安全评估提供科技支撑，对于提高现代闸门水动力学研究水平也具有重要意义。

本书共分为6章。第1章绪论，总结了国内外平面闸门动水关闭的水动力实验、原型观测及数值模拟的相关研究成果和进展，分析了高水头平面闸门动水闭门水动力特性研究拟解决的关键技术问题，介绍了本书涉及的主要研究工作。第2章高水头平面闸门动水闭门的水动力实验研究，介绍了闸门水动力作用原理、闸门静态及动态实验方法，结合两个典型闸门阐述了模型相似准则和模型设计原则，介绍了闸门动态实验的启闭控制系统与测量仪器设备，详细研究了闸门动水关闭的水流流态及门体压力荷载变化特性，基于实验分析了影响闸门水动力荷载特性的关键体型及水力因素。第3章平面闸门动水关闭的水动力数值模拟方法，针对影响闸门动水关闭的水动力数值模拟的难点，介绍了本书采用的能较好描述闸门区复杂流动特性的数学模型、合理的动网格适应技术及计算格式，针对典型事故闸门的动水关闭水流进行了数值模拟分析，通过模型试验及原型观测结果论证了数值模拟结果的可靠性与精度，提出了适合平面闸门动水关闭的水动力数值模拟方法。第4章闸门上托力特性的数值模拟研究，采用数值模拟方法系统深入地研究了闸门上托力随底缘体型及水力参数的变化规律，阐释了闸门上托力和上托力系数受底缘倾角及厚度参数的双重影响，给出了闸门最小上托力系数随底缘倾角和厚度参数组合变化的关系。第5章闸门下吸力特性的数值模拟研究，采用数值模拟方法系统研究了下游底缘倾角及上、下游水头参数对闸门下吸力的影响，提出了典型下游底缘体型闸门下吸力强度随闸门水头的变化关系曲线，并揭示了闸门下吸力及下吸力系数随淹没水头的变化规律。第6章为全书的总结与展望，归纳总结了本书研究的成果和创新点，并对需进一步深入研究的问题进行了展望。

本书大量素材来源于作者在中国水利水电科学研究院完成的博士论文，相关研究工作得到了导师吴一红教授、张东教授和曹以南教授的精心指导。本书还得到了潘水波教授、陈文学教授以及张文远、张宏伟、张蕊等高级工程师的帮助和支持，在此一并表示衷心的感谢。

本书的出版得到了国家“十三五”重点研发计划课题“梯级高坝大库水温结构变化的生态影响和分层取水技术”（2016YFC0502202）、“低环境影响度的泄洪消能技术研究”（2016YFC0401706）以及国家自然科学基金项目（51279216）的资助，在此一并致谢。

由于作者水平有限，本书难免存在不妥和疏漏之处，敬请读者批评指正。

作者

2016年9月