1.3　本书的研究内容及主要工作

1.3.1　关键技术问题

从前述闸门水动力特性研究进展来看，高水头平面闸门动水闭门的水动力实验及数值模拟研究的关键技术问题有以下几个方面。

（1）平面闸门的动水闭门性能不仅与闸门体型相关，也受水力运行参数的影响。平面闸门底缘体型布置多样，不同的上、下游底缘布置方式及倾角等体型参数对闸门水动力特性影响很大；闸门的水头、流量及关闭速度等水力参数复杂、变化范围较大，也显著影响闸门门体的水动力荷载特性。为研究闸门水动力特性的基本规律，需要把握影响闸门水动力特性的关键体型及水力因素，合理选取典型的闸门布置型式进行水动力实验及数值模拟研究。

（2）适合平面闸门非恒定高速水气两相湍流的数值模拟方法以及数值模拟精度需要达到满足工程要求的问题。高水头闸门动水闭门的水流为复杂的非恒定高速水气两相湍流，闸门区水流流场存在强弯曲、大压力梯度变化的特点，闸门闭门过程中发生满流向明流过渡演变，因此湍流模型不仅要较好地模拟闸门区绕流的弯曲和大压力梯度特性，还要很好地处理闸后水气两相流的自由界面问题，需要选取合适的湍流模型及两相流模型。另外，闸门区水流流场及闸门水动力荷载随闸门门体的运动而变化，由于闸门门体的几何结构较为复杂，网格特征尺寸小，其动水闭门水流存在复杂的内部动边界处理问题，常规的动边界网格处理方法容易产生网格畸变或更新困难的问题，也需要采用合适的网格适应技术，使闸门区动边界网格高效更新，同时又能保证网格质量和计算精度。

（3）高水头下平面闸门的上托力系数、下吸力强度等荷载系数计算公式或系列图表的研究提炼。高流速、强射流作用下闸门底缘上托力或下吸力变化规律及范围相比低水头时可能存在较大差异，闸门体型及参数组合多样，如何研究提炼出具有工程意义的上托力系数、下吸力强度等荷载系数的计算公式或图表，是一个需要解决的重点技术问题和难点。

（4）高水头、高流速对闸门水动力特性的影响问题。高水头作用下闸孔为高速绕流及射流，闸门门体特别是底缘容易发生水流分离，闸门门体的压力分布变化特性复杂，如何研究其对闸门水动力荷载的影响，进一步识别其可能造成的闸门空化及振动危害，也是闸门设计和研究关注的一个重要技术问题。

1.3.2　主要研究工作

本书针对高水头平面事故闸门的水动力学问题，结合典型平面事故闸门水动力实验研究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，系统深入地研究了不同闸门体型及水力参数对平面闸门水动力荷载特性的影响。

（1）针对工程中两种典型上、下游倾角底缘型式的平面事故闸门，采用物理模型试验的方法进行了闸门动水关闭的水动力实验，研究了闸后明满流转换演变规律及过渡形态，分析了闸门门体压力分布、闸门门顶水柱压力、上托力及下吸力荷载随闸门开度的变化规律，探讨了闸门水头、流量及底缘体型对闸后流态及门体水动力特性的影响。

（2）根据闸门动水关闭过程中的水流特性，建立了平面闸门动水闭门的水动力数值模型。数值模型采用RNG k-ε湍流模型和VOF两相流模型，结合域动网格和动态分层的网格适应技术，提出了适合高水头闸门动水关闭非恒定两相流的数值模拟方法，模拟计算了典型平面事故闸门动水关闭过程及门体的水动力荷载，数值模拟结果与模型试验及原型观测结果的吻合程度良好，数值模拟的精度能够满足工程设计的需要，论证了数值模拟方法的可行性。

（3）针对上游底缘型式的平面事故闸门，模拟分析了闸门动水关闭的水动力特性，研究揭示了闸门上托力随上游底缘体型及水力运行参数的变化规律。研究了底缘倾角及厚度对闸门上托力特性的综合影响，提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，针对高水头运行条件提出了闸门体型参数的取值建议。

（4）针对下游底缘型式的平面事故闸门，模拟分析了不同底缘体型及水头条件下闸门的水动力特性，研究了下游底缘倾角及上、下游水头参数对闸门下吸力强度的影响规律，并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。模拟研究了不同尾水淹没条件下闸门下吸力的演变特性，研究了上、下游水头差对闸门下吸力性质及动水关闭性能的影响。