1.2　研究进展

平面闸门动水关闭中的水动力特性问题非常复杂，是闸门设计及研究中的一个重点和难点。在针对闸门水动力特性的研究中，主要有物理模型试验、数值计算及原型观测3种方法。

1.2.1　平面闸门动水关闭的水动力学实验

在闸门动水下门快速截断水流的过程中，闸门本身是一个与水流作用的运动边界，同时闸下水流又是一个复杂的绕流及射流现象，其所构成的非稳态水流形态复杂，需要考虑闸门的重力、水体的附加质量以及运动加速度的惯性力等综合作用影响，目前尚无一套成熟的理论及计算方法可供参考，因此目前借助闸门水动力模型试验进行研究的居多。

国内外学者围绕闸门动水关闭水流、水动力荷载及启闭力等问题进行了大量模型试验研究及理论分析工作。Naudascher在1964年对3种上游倾角底缘闸门的上托力进行了试验研究，提出了闸门上托力和底缘倾角及水力参数的无量纲理论公式。Smith和Murray通过试验也研究分析了电站闸门底缘及门井体型对上托力荷载的影响。Sagar从减轻闸门的振动、空化以及降低闸门启闭力角度探讨了底缘上游倾角的选取方法。谢省宗等通过实验研究了电站进水口快速闸门动水下门的明满流过渡的临界开度，导出了闸门水力学与水轮机水力学的关联方程。哈唤文、刘维平等进一步研究了电站进水口闸门快速下降的持住力等水力学问题。陈怀先等通过试验研究了不同上游底缘型式和下游底缘型式闸门的压力变化以及上托力系数，提出了将底缘压力从正压变为负压所对应的闸门开度定义为零压力开度的概念。金泰来、潘水波等通过模型试验研究了三峡深孔事故闸门门体压力分布、水力荷载及启闭力特性。从20世纪平面闸门水力学研究成果来看，一般还基于势流理论对闸水流及水力荷载进行分析，试验研究对象主要针对水头低于60m的闸门，还未能考虑高水头及高速水流对平面闸门水动力特性的影响。

随着高水头平面闸门的逐渐应用，Ahmed于1999年通过14种闸门上游底缘型式，进一步研究了底缘压力系数随底缘体型的变化规律，并分析了门顶压力系数与门楣间隙的影响。肖兴斌、王才欢等结合三峡工程，通过试验研究了闸门铅垂方向的动水压力载荷并提出了避免闸门底缘负压的布置型式。周通结合积石峡泄洪洞事故闸门通过调整闸门体型对闸门启闭力进行了优化研究。吴一红、章晋雄、张文远等针对小湾底孔、溪洛渡泄洪洞及锦屏一级电站进水口等工程的事故闸门，通过模型试验较为系统地研究了闸门的压力荷载分布及闭门力、闸门区水流脉动及流激振动等水动力学问题。王韦等结合小浪底孔板洞事故闸门动水下门实验，研究了长有压泄洪洞进水口事故闸门及流道的明满流流态及压力特性。物理模型试验通过对闸门水流及水力荷载的测试分析，解决了我国许多高水头闸门的水力设计和工程问题，但模型试验的研究对象一般为特定工程的事故闸门，因成果的系统性不强而不便于广泛地推广应用。

1.2.2　平面闸门动水关闭的原型观测

由于物理模型在缩尺效应等方面的局限性，相关研究及设计工作者对通过原型试验研究闸门的动水关闭问题也十分关注，其中我国在20世纪80年代曾对天桥水电站泄洪洞工作闸门进行原型观测，通过测试闸门启闭力和门后压力随闸门启闭的变化过程，对该闸门曾多次出现的启门力严重超载、拉杆和钢丝绳断裂、闸门落不到位等问题进行了研究。加拿大的B.C.Hydro于2008年针对Mica电站进水口事故闸门开展了原型试验，对闸门动水关闭的启闭力进行了测试研究。张黎明、夏毓常曾对拓溪电站事故闸门、葛洲坝船闸输水道反弧门的原型观测成果和模型进行对比，分析了模型和原型之间的缩尺影响并提出了修正方法。总体来说，由于工程现场条件的限制，在闸门水力学原型观测方面的研究工作还较少，对于闸门水流结构及水力荷载分布也很难进行深入研究。

1.2.3　平面闸门的水动力数值模拟

由于闸门动水关闭水流属于典型的非定常两相流流动，直接求解描述闸门水流的N-S方程十分困难，两相流的数学模型也非常复杂，因此以往只是在大量简化和假定条件下进行了一些计算研究工作。何小新等曾根据势流理论，采用边界元法计算了闸门上的水平作用力和上托力。Sagar、夏毓常均在假定底缘水流不分离的条件下，推导了闸门底缘上托力系数的计算公式。以上理论分析或计算模式均建立在简单水流方程或假定的条件下，模型简化及假定条件多，对于高水头平面闸门的高速水流及复杂的水动力荷载问题，这些方法还不能满足工程设计的需要。

近些年来，随着湍流及多相流数值模拟技术和计算机水平的迅速发展，使得数值求解水力学运动方程成为可能。数值模拟不仅可以解决简单的流动问题，而且可对复杂的实际流动进行模拟与预测。张瑞凯等针对三峡船闸反弧事故闸门，采用流动标点法跟踪自由水面位置建立了二维数值模型，研究了阀门区水流时空特性及阀门承受的水动力荷载。沙海飞等结合非结构化动网格，对简单的平底闸门动水开启的二维非恒定流过程进行了CFD模拟分析。Andrade和Amorim、Zlatko采用二维k-ε紊流模型模拟了电站工程平板闸门区水流流场，分析了门体上的水力荷载。李利荣等曾针对水力自动滚筒闸门，采用RNG k-ε模型和水-气两相VOF模型，模拟分析了闸门表面的动水压力、流速分布等水动力特性。上述在闸门紊流数值模拟方面的工作，为闸门动水关闭水流的数值模拟提供了一些基础和经验，也表明数值模拟已成为闸门水动力学研究的一个重要手段。

综上所述，物理模型还存在成果系统性较差及缩尺效应等局限性，原型观测也有现场条件限制、费用较高和难以深入研究的问题，而闸门动水关闭水流的数值模拟能弥补物理测试手段的不足，可以详细分析闸区的流场，得到全面的水力荷载分布和变化特征，且数值模拟的研究周期短，费用较低，体型和参数修改方便，也没有缩尺效应问题，因此采用数值模拟方法进行闸门动水关闭水力学的研究是一个重要的发展方向。从闸门水流数值模拟研究概况来看，目前采用二维单相流模型的居多，还难以考虑门槽影响下闸门区的三维水气两相流特性。另外，由于高水头闸门动水关闭的非恒定多相流十分复杂，数值模拟结果是否有足够的精度，是否能满足工程设计的要求，也还需要做大量的研究工作。