針對(duì)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(chǎng)耦合平臺(tái),基于流固耦合數(shù)學(xué)模型、高雷諾數(shù)流場(chǎng)以及Realizablek-ε三維湍流模型進(jìn)行數(shù)值求解。首先,研究了90°流向角不同工況的近壁流場(chǎng)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(dòng)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:為了實(shí)現(xiàn)更好的攔污效果,浮箱實(shí)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(duì)浮箱的結(jié)構(gòu)損壞威脅最大,在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),要重點(diǎn)考慮。最后,針對(duì)黏性阻力系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明,流固耦合計(jì)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(shí)例以某水電站進(jìn)水口胸墻式泄洪閘水體-攔污排為研究對(duì)象。在水電站正常運(yùn)行過程中，攔污排的張力和形狀是一定的，但各個(gè)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(duì)流場(chǎng)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(dòng)控制卷揚(yáng)式升降設(shè)備。按照懸鏈線理論計(jì)算最大弧垂25m，整體設(shè)計(jì)軸線長(zhǎng)度為237.8m，其主要結(jié)構(gòu)是32個(gè)6.7m長(zhǎng)的浮箱，外面完全密封，浮箱之間以若干個(gè)圓柱銷和長(zhǎng)1.2m連桿裝配而成，在壩上進(jìn)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(yùn)行工作過程中，河流、空氣和浮箱是一個(gè)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(jì)算收斂等仿真過程不僅對(duì)電腦的硬件有很高的要求，還需要花費(fèi)很多時(shí)間和精力。為了節(jié)約時(shí)間成本，突出水載荷對(duì)各浮箱影響分析的重點(diǎn)，采用疊模分析將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為流固耦合模型，僅考慮浮箱與水下計(jì)算域2部分。取水電站的進(jìn)水口為計(jì)算流體，賦予其自由液面以下的相應(yīng)水壓力，整個(gè)流體區(qū)域長(zhǎng)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(jìn)行裝配，所用材料均為高強(qiáng)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(duì)模型進(jìn)行縮放，縮放比例尺為L(zhǎng)λ

115中國設(shè)備工程ChinaPlantEngineering中國設(shè)備工程2020.12（上）通過實(shí)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(jìn)一步了解90°流向角下浮箱繞流流場(chǎng)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(duì)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(shì)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(duì)比不同入口流速下浮箱底部的流場(chǎng)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(shí)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(diǎn)位于浮箱迎流面?zhèn)�，在該位置浮箱容易受到損壞，流體到達(dá)駐點(diǎn)時(shí)，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為壓能。流向角越小，駐點(diǎn)位置越靠近浮箱迎流面?zhèn)鹊倪吘�，此時(shí)，會(huì)在該位置形成一定范圍的負(fù)壓區(qū)域；流向角越大，浮箱的迎流?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3494904