波流作用下核电拦污网水动力特性分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:杨 沪男在读硕士研究生研究方向:海水过滤装置结构设计与分析波流作用下核电拦污网水动力特性分析杨 沪盛文强李 强何 钢余 翱陈 轩(.河海大学机电工程学院江苏 常州 .江苏电力装备有限公司江苏 常州)摘要:拦污网作为核电厂取水口拦污设施受海水冲击作用而变形当受力超出极限承载时发生破坏本文通过某核电厂取水拦污设施波浪模型网衣试验与有限元数值模拟方法共同研究拦污网水动力特性得到锚绳及桩台在不同拦污网堵塞率条件下的受力变化研究结果表明建议锚绳直径大于 采用 点系缚且拦污网堵塞率不超过.关键词:拦污网波浪数值模拟水动力特性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:我国滨海核电站均采用海水作为冷源但海洋漂浮物入侵常造成核电厂停机 网衣作为核电厂取水拦污设施对其水动力特性研究至关重要宫崎芳夫通过平面网衣进行水中和风洞中的试验考虑雷诺数对网衣受力通过一系列试验有流和无流对网衣力学性能的影响 等人对大型网具的数值模拟提出网目群化的简化计算方法王敏法等在水流的作用下通过数值模拟的方法对金枪鱼网衣展开水动力分析研究桂福坤、李玉成等提出相似准则方法 等假设网线与流场互不影响进行了大量研究 等将网衣视为屏模型以此计算网衣水动力载荷 本文采用有限元方法其优势在于将网线离散为有限个单元更加真实模拟网线质量具有一定变形特征 基本理论.网衣承受的波浪载荷计算该工程中的拦污网的每个结构单元虽然是小尺度的结构物由于核电拦污网的结构特殊性网线直径和网目均比较小 因此在波浪和水流的作用下会产生一定的结构动力响应由于网线具有弹性容易在受力的情况下发生弹性变形所以在计算过程中需要考虑弹性变形的影响将 方程进一步写成:()()()杨 沪等:波流作用下核电拦污网水动力特性分析 年 月式中:表示水流速度、分别表示结构单元在受到波流作用时的速度和加速度.竖直圆柱体上的波浪力根据 公式计算得出单位长度下竖直柱体水平波浪力为:()为得到整个柱体水平波浪力则对其进行积分:()()式中:为惯性力系数为拖曳力系数 为垂直方向的长度增量.倾斜圆柱体上的波浪力在水流作用下网衣易发生变形网线与水流方向呈现一定夹角在计算倾斜圆柱所受到的波浪力在概念上与竖直圆柱受到的波浪力计算公式是相同的只不过可作为竖直的特殊情况去考虑如图 图 倾斜圆柱体受力示意图图 中的波浪方向是沿 轴方向分量以一定的波速 传播并且将速度 分解为沿水流方向 及垂直于 方向其中 再将 分解为结构物轴线方向及垂直于结构物轴线方向的两个分量即分解为 和 两个分量 可写成 将 和 分别代入 公式中得到如下方程:()则在 方向上的分量为:()同理将 带入 公式得在 方向上的分量为:()将 和 相加得出倾斜圆柱体在水流方向上受到的合力为:().网目群化方法由于网衣是成千上万个网目组成如果按照原模型离散成单元去计算目前的计算机无法实现 因此有必要对网衣网目做简化处理 在实际计算过程中根据实际计算的拦污网模型的大小将多个网目合并成一个网目在保证最终模拟的结果与实际试验结果误差在一定范围内采用网目合并又称为网目群化方法.网衣密实度计算根据 的介绍计算网衣模型的整体直径为.网目边长为 网衣密实度是按照如下公式进行计算:()式中:表示网线直径 表示网目边长 拦污网水槽试验.研究对象为数值模拟提供所需要的水动力系数在交通运输部天津水运工程科学研究院进行拦污网模型水槽试验试验模型按/波浪模型试验规程等规范的要求进行设计本文采用大比例尺为 高分子聚乙烯网衣在试验过程中将拦污网通过八个系缚锚绳固定于桩柱侧网纲通过三个系缚锚绳固定于桩柱网口底部通过两个系缚锚绳固定与底梁的锚环上水流方向由网口到尾兜系缚锚绳处安装拉力传感器与数据采集系统实时监测拉力大小 通过造波系统为试验提供流速分别为.、.、.、./及./五组工况.试验结果试验重点是研究拦污网在无堵塞、堵塞.、水 电 与 新 能 源 年第 期堵塞.时拦污网变形受力情况为了简便的描述堵塞率本文的堵塞率是根据堵塞长度/网衣长度网衣与桩柱由系缚锚绳相连接锚绳的受力大小是系缚处的网线张力矢量和图 表示网衣受力变形图图 拦污网堵塞状态下的受力变形情况.整体网衣水动力系数的测定选取整体网衣直径为.周期 为 选取密实度 为.、.选取雷诺数为、通过水槽试验得到整体网衣的水阻力以及雷诺数对水动力系数的取值影响通过试验可以发现在不同密实度网衣下整体网衣拖曳力系数 值随雷诺数变化规律相同改变雷诺数 的值 越大拖曳力系数 值越小惯性力系数 值在.上下以较小幅度波动 在不改变网衣的密实度的情况下 增大网衣的受力增大拖曳力系数 减小 网衣密实度增加网衣的受力增加拖曳力系数 也随之增加惯性力系数 大小基本维持不变 数值模拟方法本文采用有限元法建立网衣数值模型 通过/模块按网衣整体尺寸及网线直径、网目群化后的大小建立一个与实际模型相同的网衣模型 本模型采取单跨三拼模型整体拦污网由网衣、网纲、锚绳组成 网衣受到的波浪力可根据莫里森方程来计算 计算结果分析与讨论.海洋工况对网衣受力影响首先将水槽试验得到的水动力系数、取值写入 模块的 文件中分别控制影响因素作为唯一变量进行数值模拟计算如图 表示在不同工况下锚绳受力最大值 其中图()在堵塞率为 的工况下图()、()、()均在流速为./的工况下.系缚方式对拦污网系缚锚绳拉力大小的影响用于固定网衣的系缚锚绳的布置直接影响拦污网变形情况 为了尽可能的使侧网纲与桩柱间隙变小减少海生物从间隙中逃逸因此系缚点数量的选择是非常重要的本文分析 点、点、点、点将拦污网均匀系缚与桩柱如图 表示不同系缚点下网衣受力变形情况由图 可知不同系缚方式对网衣受力大小以及桩柱受力没有影响对网衣变形有一定影响系缚点越多拦污网侧网纲与桩柱之间的间隙越小因此本文选择 点系缚方式最佳.网线直径对网衣受力影响由图 可知在五种网目直径条件下网衣受力增加幅度不同在水流作用下网衣受力大小与网衣在水流方向上的投影近似成正比例关系网线直径的增加网衣在水流作用方向的投影面积也随之增加因此整个网衣受力大小也随之增加 结 语本文将水槽试验得来的水动力系数带入数值模拟软件基于有限元基本原理和实际网衣尺寸建立网衣数值模型通过动力学隐式求解节点运动方程在数值模拟结果与试验结果拟合良好的基础上分析讨论在波流作用下网衣受力与水流、波高、水深、堵塞率、系缚方式及网线直径的关系 拖曳力系数 与密实度 之间的关系成二次线性关系惯性力系数 为.其模拟结果良好其中锚绳受力最大值与堵塞率成正比当堵塞率达到.流速./时锚绳拉力最大值达到 实际网衣在工作状态下墩柱极限承载拉力为 底部横梁每个挂点极限承载拉力为 两个挂点共 而增加系缚锚点对桩柱杨 沪等:波流作用下核电拦污网水动力特性分析 年 月图 不同工况下锚绳受力最大值图 不同系缚方式下网衣受力变形情况和底梁受力没有影响因此选择 点系缚最为合适通过本文对网衣的水动力分析对实际设计网衣的尺寸设计和安装方式具有一定的工程指导意义参考文献:.():.():(下转第 页)官 标等:巨型水轮发电机组下机架安装调整的 程序设计 年 月图 号机下机架支臂调整量计算界面及显示参考文献:单文培.水电站机电设备的安装、运行与检修.北京:中国水利水电出版社 王玲花.水轮发电机组的安装与检修.北京:中国水利水电出版社/水轮发电机组安装技术规范中国葛洲坝集团公司.三峡 水轮发电机组安装技术.北京:中国电力出版社 程卫国 冯峰 王雪梅 等.精要、编程及高级应用.北京:机械工业出版社 王广 邢林芳.程序设计.北京:清华大学出版社 天工在线.中文版 从入门到精通:实战案例版.北京:中国水利水电出版社 余胜威 吴婷 罗建桥.设计入门与实战.北京:清华大学出版社(上接第 页)图 不同网线直径下网衣受力 .():王敏法.金枪鱼围网网具数值模拟初步研究.上海:上海海洋大学 桂福坤 李玉成 张怀慧 等.网衣受力试验的模型相似条件.中国海洋平台 ():.().():.:苗玉基 丁军 田超 等.规则波环境中网衣水动力特性研究/吴有生 王本龙 俞万能.第三十一届全国水动力学研讨会论文集(下册).北京:海洋出版社 .:.:.():王剑锋.考虑墩水耦合作用的深水桥墩地震响应分析.广州:广东工业大学 曹学睿 马辉 徐明林 等.柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究.中国海洋大学学报:自然科学版():王顺 冯德军 桂福坤.波流复合工况下缝边式围栏网衣水动力特性.农业工程学报 ():/波浪模型试验规程