發(fā)布時間：2021-11-14 15:40

　　針對目前某水電站污物繞過部分浮箱從底部流過以及結(jié)構(gòu)損壞的問題,應(yīng)用ANSYS FLUENT多場耦合平臺,基于流固耦合數(shù)學(xué)模型、高雷諾數(shù)流場以及Realizablek-ε三維湍流模型進行數(shù)值求解。首先,研究了90°流向角不同工況的近壁流場特性,然后,就不同布置下的攔污浮箱近壁水體壓力特性以及結(jié)構(gòu)振動特性進行分析。結(jié)果表明:為了實現(xiàn)更好的攔污效果,浮箱實際增設(shè)欄桿入水深度最佳為1.4m;浮箱最大變形量和應(yīng)力值隨著流向角的增大先增大后減小;不同流向角下的浮箱的模態(tài)頻率與水載荷大小無關(guān);75°流向角下水載荷對浮箱的結(jié)構(gòu)損壞威脅最大,在優(yōu)化設(shè)計時,要重點考慮。最后,針對黏性阻力系數(shù)與經(jīng)驗公式進行對比驗證,結(jié)果表明,流固耦合計算合理可信。 

【文章來源】：中國設(shè)備工程. 2020,(23)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

浮箱坐標(biāo)系2數(shù)值模型建立相型k好3

。圖1浮箱坐標(biāo)系2數(shù)值模型建立2.1工程實例以某水電站進水口胸墻式泄洪閘水體-攔污排為研究對象。在水電站正常運行過程中，攔污排的張力和形狀是一定的，但各個浮箱與水體之間的流向角是不同的。由于攔污排各浮箱距離較大，忽略相互之間對流場的影響。應(yīng)用三維建模軟件CATIA建立不同的水體-浮箱耦合有限元模型，并將該模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件ANSYS，研究不同工況下各布置浮箱的流固耦合特性。該水電站日均入庫流量753m3/s，日均出庫流量758m3/s，水頭差8.16m，日均發(fā)電量1241600kWh。浮式攔污排平面布置如圖2所示，在泄流口前方水域，兩端分別通過安全拉桿錨固在上支墩和下支墩，升降設(shè)備均為隨水位變幅升降的全自動控制卷揚式升降設(shè)備。按照懸鏈線理論計算最大弧垂25m，整體設(shè)計軸線長度為237.8m，其主要結(jié)構(gòu)是32個6.7m長的浮箱，外面完全密封，浮箱之間以若干個圓柱銷和長1.2m連桿裝配而成，在壩上進水口水域形成整體的柔性結(jié)構(gòu)。2.2有限元模型及邊界條件攔污排各浮箱在水庫正常運行工作過程中，河流、空氣和浮箱是一個典型的氣-液-固多相流問題。由于模型體積較大，劃分網(wǎng)格、計算收斂等仿真過程不僅對電腦的硬件有很高的要求，還需要花費很多時間和精力。為了節(jié)約時間成本，突出水載荷對各浮箱影響分析的重點，采用疊模分析將系統(tǒng)簡化為流固耦合模型，僅考慮浮箱與水下計算域2部分。取水電站的進水口為計算流體，賦予其自由液面以下的相應(yīng)水壓力，整個流體區(qū)域長60m，寬30m，高6m，不考慮溫度和能量損失，只需給出水的密度和粘度；浮箱入水深度0.59m，與圓柱銷1和銷2進行裝配，所用材料均為高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量，泊松比μ=3.0。經(jīng)過不斷試算，根據(jù)重力相似原則對模型進行縮放，縮放比例尺為Lλ

115中國設(shè)備工程ChinaPlantEngineering中國設(shè)備工程2020.12（上）通過實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，污物主要堆積在90°流向角浮箱附近。為進一步了解90°流向角下浮箱繞流流場的速度大小變化情況，在浮箱周邊選取4條近壁水體節(jié)線，生成節(jié)線速度位移變化曲線，浮箱近壁節(jié)線選取情況如圖4所示。圖4浮箱近壁節(jié)線選取圖5為不同入口流速下4條節(jié)線速度位移變化曲線。從圖中可以得出：①針對不同的入口流速，流體的速度在近浮箱區(qū)域都發(fā)生了突變，變化趨勢大致相同。②在靠近浮箱流域節(jié)線1、3速度“陡降急增”，反映了流體繞流造成的浮箱邊緣渦流空化情況。而節(jié)線2、4速度“陡增急降”，并且陡增的速度較大，甚至大于入口速度。由此說明，漂浮的污物很容易繞過浮箱底部堆積在上游攔污柵，水頭減少、威脅增大、攔污排形同虛設(shè)。因此，有必要為90°流向角浮箱增設(shè)一排入水欄桿，入水深度取決于流速過渡區(qū)域的大校③對比不同入口流速下浮箱底部的流場特性，從1～3m/s，節(jié)線1最大降幅依次為86%、84%、88%，而節(jié)線2最大增幅依次為17%、18%、21%，說明流速過渡區(qū)域與入口流速大小無關(guān)。a)節(jié)線1b)節(jié)線2c)節(jié)線3d)節(jié)線4圖5不同入口流速節(jié)線速度位移變化圖6為入口流速2m/s近壁流體中軸線（沿Z軸方向）速度位移分布曲線。結(jié)合模型的縮放比例尺，可以看出該類型結(jié)構(gòu)攔污浮箱實際增設(shè)入水欄桿，深度h以1.4m最優(yōu)。3.2浮箱近壁水體壓力特性分析圖7為入口流速2m/s不同流向角下近壁水體壓力分布云圖（X0Y平面，Z=0.05m）。由圖中可以得出：壓力最大點位于浮箱迎流面?zhèn)�，在該位置浮箱容易受到損壞，流體到達駐點時，動能逐漸轉(zhuǎn)化為壓能。流向角越小，駐點位置越靠近浮箱迎流面?zhèn)鹊倪吘墸藭r，會在該位置形成一定范圍的負壓區(qū)域；流向角越大，浮箱的迎流?

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3494904