水电站不同布置下的拦污浮箱流固耦合计算分析
发布时间：2021-11-14 15:40
针对目前某水电站污物绕过部分浮箱从底部流过以及结构损坏的问题,应用ANSYS FLUENT多场耦合平台,基于流固耦合数学模型、高雷诺数流场以及Realizablek-ε三维湍流模型进行数值求解。首先,研究了90°流向角不同工况的近壁流场特性,然后,就不同布置下的拦污浮箱近壁水体压力特性以及结构振动特性进行分析。结果表明:为了实现更好的拦污效果,浮箱实际增设栏杆入水深度最佳为1.4m;浮箱最大变形量和应力值随着流向角的增大先增大后减小;不同流向角下的浮箱的模态频率与水载荷大小无关;75°流向角下水载荷对浮箱的结构损坏威胁最大,在优化设计时,要重点考虑。最后,针对黏性阻力系数与经验公式进行对比验证,结果表明,流固耦合计算合理可信。
【文章来源】：中国设备工程. 2020,(23)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
浮箱坐标系2数值模型建立相型k好3
。图1浮箱坐标系2数值模型建立2.1工程实例以某水电站进水口胸墙式泄洪闸水体-拦污排为研究对象。在水电站正常运行过程中，拦污排的张力和形状是一定的，但各个浮箱与水体之间的流向角是不同的。由于拦污排各浮箱距离较大，忽略相互之间对流场的影响。应用三维建模软件CATIA建立不同的水体-浮箱耦合有限元模型，并将该模型导入数值分析软件ANSYS，研究不同工况下各布置浮箱的流固耦合特性。该水电站日均入库流量753m3/s，日均出库流量758m3/s，水头差8.16m，日均发电量1241600kWh。浮式拦污排平面布置如图2所示，在泄流口前方水域，两端分别通过安全拉杆锚固在上支墩和下支墩，升降设备均为随水位变幅升降的全自动控制卷扬式升降设备。按照悬链线理论计算最大弧垂25m，整体设计轴线长度为237.8m，其主要结构是32个6.7m长的浮箱，外面完全密封，浮箱之间以若干个圆柱销和长1.2m连杆装配而成，在坝上进水口水域形成整体的柔性结构。2.2有限元模型及边界条件拦污排各浮箱在水库正常运行工作过程中，河流、空气和浮箱是一个典型的气-液-固多相流问题。由于模型体积较大，划分网格、计算收敛等仿真过程不仅对电脑的硬件有很高的要求，还需要花费很多时间和精力。为了节约时间成本，突出水载荷对各浮箱影响分析的重点，采用叠模分析将系统简化为流固耦合模型，仅考虑浮箱与水下计算域2部分。取水电站的进水口为计算流体，赋予其自由液面以下的相应水压力，整个流体区域长60m，宽30m，高6m，不考虑温度和能量损失，只需给出水的密度和粘度；浮箱入水深度0.59m，与圆柱销1和销2进行装配，所用材料均为高强度低合金结构钢，弹性模量，泊松比μ=3.0。经过不断试算，根据重力相似原则对模型进行缩放，缩放比例尺为Lλ
115中国设备工程ChinaPlantEngineering中国设备工程2020.12（上）通过实际调研发现，污物主要堆积在90°流向角浮箱附近。为进一步了解90°流向角下浮箱绕流流场的速度大小变化情况，在浮箱周边选取4条近壁水体节线，生成节线速度位移变化曲线，浮箱近壁节线选取情况如图4所示。图4浮箱近壁节线选取图5为不同入口流速下4条节线速度位移变化曲线。从图中可以得出：①针对不同的入口流速，流体的速度在近浮箱区域都发生了突变，变化趋势大致相同。②在靠近浮箱流域节线1、3速度“陡降急增”，反映了流体绕流造成的浮箱边缘涡流空化情况。而节线2、4速度“陡增急降”，并且陡增的速度较大，甚至大于入口速度。由此说明，漂浮的污物很容易绕过浮箱底部堆积在上游拦污栅，水头减少、威胁增大、拦污排形同虚设。因此，有必要为90°流向角浮箱增设一排入水栏杆，入水深度取决于流速过渡区域的大校③对比不同入口流速下浮箱底部的流场特性，从1～3m/s，节线1最大降幅依次为86%、84%、88%，而节线2最大增幅依次为17%、18%、21%，说明流速过渡区域与入口流速大小无关。a)节线1b)节线2c)节线3d)节线4图5不同入口流速节线速度位移变化图6为入口流速2m/s近壁流体中轴线（沿Z轴方向）速度位移分布曲线。结合模型的缩放比例尺，可以看出该类型结构拦污浮箱实际增设入水栏杆，深度h以1.4m最优。3.2浮箱近壁水体压力特性分析图7为入口流速2m/s不同流向角下近壁水体压力分布云图（X0Y平面，Z=0.05m）。由图中可以得出：压力最大点位于浮箱迎流面侧，在该位置浮箱容易受到损坏，流体到达驻点时，动能逐渐转化为压能。流向角越小，驻点位置越靠近浮箱迎流面侧的边缘，此时，会在该位置形成一定范围的负压区域；流向角越大，浮箱的迎流?
【参考文献】：
期刊论文
[1]拦污栅栅条截面形式对水流特性的影响[J]. 朱凤霞,蔡新. 水电能源科学. 2017(02)
[2]超大水位变幅水力自升降拦漂设施研究与应用[J]. 郑江,刘勇,倪迎峰. 人民长江. 2017(02)
[3]高坝大库型水电站拦污排的应用研究[J]. 黄会宝,文豪,陈红. 水电与新能源. 2012(06)
[4]基于CFD的三体船流场数值模拟可靠性研究[J]. 赵藤,孙鹏,于雷. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(11)
[5]三体船粘性阻力计算与计算方法比较[J]. 李云波,陈康,黄德波. 水动力学研究与进展（A辑）. 2005(04)
本文编号：3494904
【文章来源】：中国设备工程. 2020,(23)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
浮箱坐标系2数值模型建立相型k好3
。图1浮箱坐标系2数值模型建立2.1工程实例以某水电站进水口胸墙式泄洪闸水体-拦污排为研究对象。在水电站正常运行过程中，拦污排的张力和形状是一定的，但各个浮箱与水体之间的流向角是不同的。由于拦污排各浮箱距离较大，忽略相互之间对流场的影响。应用三维建模软件CATIA建立不同的水体-浮箱耦合有限元模型，并将该模型导入数值分析软件ANSYS，研究不同工况下各布置浮箱的流固耦合特性。该水电站日均入库流量753m3/s，日均出库流量758m3/s，水头差8.16m，日均发电量1241600kWh。浮式拦污排平面布置如图2所示，在泄流口前方水域，两端分别通过安全拉杆锚固在上支墩和下支墩，升降设备均为随水位变幅升降的全自动控制卷扬式升降设备。按照悬链线理论计算最大弧垂25m，整体设计轴线长度为237.8m，其主要结构是32个6.7m长的浮箱，外面完全密封，浮箱之间以若干个圆柱销和长1.2m连杆装配而成，在坝上进水口水域形成整体的柔性结构。2.2有限元模型及边界条件拦污排各浮箱在水库正常运行工作过程中，河流、空气和浮箱是一个典型的气-液-固多相流问题。由于模型体积较大，划分网格、计算收敛等仿真过程不仅对电脑的硬件有很高的要求，还需要花费很多时间和精力。为了节约时间成本，突出水载荷对各浮箱影响分析的重点，采用叠模分析将系统简化为流固耦合模型，仅考虑浮箱与水下计算域2部分。取水电站的进水口为计算流体，赋予其自由液面以下的相应水压力，整个流体区域长60m，宽30m，高6m，不考虑温度和能量损失，只需给出水的密度和粘度；浮箱入水深度0.59m，与圆柱销1和销2进行装配，所用材料均为高强度低合金结构钢，弹性模量，泊松比μ=3.0。经过不断试算，根据重力相似原则对模型进行缩放，缩放比例尺为Lλ
115中国设备工程ChinaPlantEngineering中国设备工程2020.12（上）通过实际调研发现，污物主要堆积在90°流向角浮箱附近。为进一步了解90°流向角下浮箱绕流流场的速度大小变化情况，在浮箱周边选取4条近壁水体节线，生成节线速度位移变化曲线，浮箱近壁节线选取情况如图4所示。图4浮箱近壁节线选取图5为不同入口流速下4条节线速度位移变化曲线。从图中可以得出：①针对不同的入口流速，流体的速度在近浮箱区域都发生了突变，变化趋势大致相同。②在靠近浮箱流域节线1、3速度“陡降急增”，反映了流体绕流造成的浮箱边缘涡流空化情况。而节线2、4速度“陡增急降”，并且陡增的速度较大，甚至大于入口速度。由此说明，漂浮的污物很容易绕过浮箱底部堆积在上游拦污栅，水头减少、威胁增大、拦污排形同虚设。因此，有必要为90°流向角浮箱增设一排入水栏杆，入水深度取决于流速过渡区域的大校③对比不同入口流速下浮箱底部的流场特性，从1～3m/s，节线1最大降幅依次为86%、84%、88%，而节线2最大增幅依次为17%、18%、21%，说明流速过渡区域与入口流速大小无关。a)节线1b)节线2c)节线3d)节线4图5不同入口流速节线速度位移变化图6为入口流速2m/s近壁流体中轴线（沿Z轴方向）速度位移分布曲线。结合模型的缩放比例尺，可以看出该类型结构拦污浮箱实际增设入水栏杆，深度h以1.4m最优。3.2浮箱近壁水体压力特性分析图7为入口流速2m/s不同流向角下近壁水体压力分布云图（X0Y平面，Z=0.05m）。由图中可以得出：压力最大点位于浮箱迎流面侧，在该位置浮箱容易受到损坏，流体到达驻点时，动能逐渐转化为压能。流向角越小，驻点位置越靠近浮箱迎流面侧的边缘，此时，会在该位置形成一定范围的负压区域；流向角越大，浮箱的迎流?
【参考文献】：
期刊论文
[1]拦污栅栅条截面形式对水流特性的影响[J]. 朱凤霞,蔡新. 水电能源科学. 2017(02)
[2]超大水位变幅水力自升降拦漂设施研究与应用[J]. 郑江,刘勇,倪迎峰. 人民长江. 2017(02)
[3]高坝大库型水电站拦污排的应用研究[J]. 黄会宝,文豪,陈红. 水电与新能源. 2012(06)
[4]基于CFD的三体船流场数值模拟可靠性研究[J]. 赵藤,孙鹏,于雷. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(11)
[5]三体船粘性阻力计算与计算方法比较[J]. 李云波,陈康,黄德波. 水动力学研究与进展（A辑）. 2005(04)
本文编号：3494904
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