自动滚筒闸门脉动压力特性试验研究

大学水利与土木建筑工程学院水工实验室进行，试验水循环系统包括地下蓄水池、泵站、平水塔、调节阀、固定水槽。固定水槽由进水段、工作段、退水段组成，根据水工实验室空间大小，固定水槽尺寸为2000cm×50cm×90cm，材质为有机玻璃，通过角钢支撑，上游槽底坡降i=0.124%。为使上游水流在近闸体时流态边界层充分发展，闸体布设在距170.0cm处;为使下游水流不影响闸后流态，在下游退水段距30.0cm处设置长20.0cm的跌坎。瞬时压力用CYB131压力传感器观测，量程为0～3kPa，用 EaziDAQ软件记录数据。

2 脉动压力特性

在闸门启闭过程中，水流流态变化复杂，流体在闸体上产生的作用力不均匀，在局部位置产生短时间较大或较集中且有一定周期性的作用力，即脉动压力，当脉动压力主频与自振主频相同时，可能发生危害较严重的共振。用统计分析方法对观测数据进行处理，通过傅里叶变换计算各测点脉动压力频域值。脉动压力幅值Δp用瞬时压力与时均压力差表示。

2.1 同一边界条件下闸体脉动压力特性

图2为开度2.0cm、上游水深32.04cm时水流脉动压力时域过程线及频域过程线。由图2可以看出，各点脉动压力周期性显著，但闸体不同位置脉动压力幅值不同，且变化较大。

图2（a）为1#点脉动压力时域过程线，表现为随机平稳过程特性，其幅值变化区间为0.12～-0.12kPa，脉动压力幅值较平稳，脉动压力最大值为时均压力的128%。1#点位于闸体顶部，上游水深H=32.04cm时闸体顶部淹没，沿闸体形成绕流，闸体顶端水流紊动强度小，流体流向与压力传感器轴线方向垂直，因此该点脉动压力曲线呈现出正态分布的随机过程特性。图2（b）为2#点脉动压力时域过程线，可见其脉动压力幅值较1#点降低，变幅紊乱，变化不均匀，脉动压力最大值为时均压力的104%。对比图2（b）～（e）发现，脉动压力幅值从闸体顶部到闸体底部呈逐渐增大趋势，幅值变化幅度呈增大趋势。从1#点到5#点水流紊动强度逐渐增大。由图2（e）可知，5#点脉动压力时域过程线幅值变化最大，变化范围为0.30～-0.30kPa，脉动压力最大值为时均压力值的290%，且幅值变化不均匀，原因是5#点位于闸体底部，在高速水流的作用下，下游跌坎处产生旋涡，5#点区域为负压产生区，该区域水流紊动强度大，因此脉动压力幅值变化较大。

分析脉动压力频谱特性对研究水流的紊动特性有重要意义，通过频谱分析可得到水流脉动能量在频域上的分布情况，通过傅里叶变换得到各测点脉动压力频域过程线，见图2（f）。由图2（f）可以看出，从1#点到5#点脉动压力频域逐渐变宽，即水流紊动强度逐渐增大，脉动压力主频为49.8Hz，主频接近轴流泵转轮叶片频率。分析原因可能为固定水槽距泵站较近（约20m），轴流泵转轮叶片频率传递所致，观测到的脉动压力主频为轴流泵主频。3#、4#、5#点存在0.5Hz的低频脉动压力，低频压力脉动幅值分别为0.005、0.020、0.030kPa。分析认为下游跌坎处涡旋旋转导致闸底处水流紊动强度大，产生低频脉动压力，因此从3#到5#点低频脉动压力幅值逐渐增大，脉动压力能量频带逐渐变宽。1#、2#点低频脉动压力不明显，原因是闸顶水流紊动强度小，闸底脉动压力主要由低能量、高频率的涡旋及负压产生。

2.2 上游水深对脉动压力特性的影响

水流脉动压力是流速脉动和时均剪切力共同作用的结果，上游水深决定过闸流速、流量，直接影响闸体脉动压力。以闸下开度e=2.0cm、上游水深H=28.04、30.02、32.04、34.04cm为例，进行不同上游水深脉动压力特性试验研究。不同上游水深下脉动压力频域曲线见图3。

由图3可以看出，从1#点到5#点脉动压力能量分布频域逐渐变宽，即水流紊动强度逐渐增大，同时还可以看出脉动压力主频为49.8Hz，主频幅值与上游水深负相关，主频幅值随着上游水位的升高而减小，进一步说明脉动压力主频为轴流泵转轮叶片频率。由图3（a）可以看出，1#点脉动压力主频为49.8Hz，上游水深由28.04cm增大至34.04cm，主频幅值由0.11kPa下降到0.098kPa，降低了10.9%，且不存在显著的低频脉动压力，1#点位于闸体正上方，水流紊动强度小。由图3（b）可知，2#点存在0.5Hz低频脉动压力，幅值为0.006kPa，且与上游水深相关性较弱，其主频仍为49.8Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，主频幅值由0.006kPa下降到0.005kPa，降低了13.3%。图3（c）为3#点脉动压力频域图，3#点存在0.5Hz低频脉动压力，且幅值较小，频率及幅值与上游水深相关性较弱。该点脉动压力能量分布频域为0～110Hz，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，49.8Hz主频脉动压力幅值由0.014kPa下降到0.008kPa，降低了42.9%。由图3（d）可知，4#点存在0.5Hz低频脉动压力，主频为49.8Hz，主频幅值随上游水深增大而降低，上游水深由28.04cm到34.04cm，主频幅值由0.063kPa下降到0.05kPa，降低了20.6%。由圖3（e）可见，5#点脉动压力能量分布频域为0～150Hz，较4#点有所增宽，主频幅值降低了36.2%;该点0.5Hz低频脉动压力幅值为0.04kPa，较1#～4#点幅值增大，低频脉动压力由跌坎涡旋及负压产生。对比各测点脉动压力频域图发现，闸体脉动压力主频幅值随上游水深的增大而减小，49.8Hz主频近似于轴流泵转轮叶片频率，0.5Hz低频脉动压力为跌坎处涡旋及负压导致水流紊动强度增大所致。

2.3 开度对脉动压力特性的影响

闸下开度直接影响水流流态、流速，因此直接影响脉动压力。本文以筒顶水深h=5cm，开度e为0、2、4、5cm进行试验，分析开度对脉动压力的影响。

图4为不同开度的脉动压力频域曲线。由图4可知：由闸体迎水面1#点至5#点，脉动压力能量分布频域逐渐变宽，紊动强度逐渐增大;脉动压力主频为49.8Hz，接近轴流泵转轮叶片频率，为轴流泵转轮叶片频率传递导致;主频幅值随开度的增大而增大，开度增大导致水流紊动强度增大，故主频脉动压力幅值增大;存在0.5Hz低频脉动压力。由图4（a）可以看出，开度为0、2、4、5cm，频率为0.5Hz时1#点脉动压力幅值分别为0.020、0.019、0.029、0.083kPa，随着开度的增大，涡旋及负压导致的水流紊动强度增大，因此低频脉动压力幅值增大。由图4（b）可知，2#点主频为49.8Hz，开度由0cm增大到5cm，其低频脉动压力幅值由0.003kPa增大到0.005kPa。由图4（c）可以看出，开度由0cm增大到5cm，3#点低频脉动压力幅值由0.008kPa增大到0.011kPa。由图4（d）可知，紊动强度随着开度的增大而增大，开度为0、2、4、5cm时低频脉动压力幅值为0.008、0.011、0.037、0.043kPa。由图4（e）可知，5#点脉动压力能量分布频域较宽，为0～150Hz，紊动强度最大。滚筒闸体存在0.5Hz的低频脉动压力，开度为0、2、4、5cm时低频脉动压力幅值为0.032、0.033、0.034、0.057kPa。

综上分析可知，滚筒闸体存在主频为49.8Hz的脉动压力、次主频0.5Hz的低频脉动压力，迎水面由1#点到5#点脉动压力能量分布频域逐渐变宽，紊动强度逐渐增大。脉动压力主频接近轴流泵转轮叶片频率，这是流道短，轴流泵转轮叶片频率传递所致。滚筒闸体存在0.5Hz的低频脉动压力，幅值随开度的增大而增大，闸体下缘5#点后设置跌坎，有涡旋产生，5#点所在负压区紊动强度大，涡旋产生低频脉动压力。

3 结语

（1）通过室内模型试验的方法，对自动滚筒闸门不同上游水位、不同闸门开度条件下水流脉动压力特性进行了研究，通过脉动压力时域、频域分布分析，探讨了不同边界条件下自动滚筒闸门水流脉动压力特性。试验结果表明：紊动水流中的滚筒闸门脉动压力表现为随机平稳时域过程，各点脉动压力周期明显，脉动压力幅值因位置而异。

（2）滚筒闸门脉动压力主频约为轴流泵转轮叶片频率，同时存在0.5Hz的低频脉动压力，从1#点到5#点脉动压力能量频域逐渐增宽，低频脉动压力幅值逐渐增大。下游闸坎处涡旋旋转导致水流紊动强度增大而产生低频脉动压力，低频脉动压力沿闸体迎水面向上游传递，振幅逐渐减小。

（3）上游水深为28.04～34.04cm时，脉动压力主频幅值与上游水深负相关，主频幅值随着上游水深的增大而减小，上游水深由28.04cm增大到34.04cm，1#点～5#点脉动压力主频幅值分别降低了10.9%、13.3%、42.9%、20.6%、36.2%。2#点～5#点存在0.5Hz低频脉动压力，低频脉动压力幅值与上游水位相关性较弱。

（4）脉动压力主频幅值与闸下开度正相关，开度由0cm增大到5.0cm，1#～5#点脉动压力主频幅值分别增大139.1%、139.8%、20.6%、57.2%、91.8%。跌坎处涡旋导致水流紊动强度增大而产生0.5Hz低频脉动压力，低频脉动压力幅值随开度的增大逐渐减小。

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