文善賢，符家和，郭姍姍，楊毅，李思玥，毛漢領(lǐng)*

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.南寧交通資產(chǎn)管理有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530000)

0 引言

浮式攔污排是水電站進(jìn)水口攔污系統(tǒng)的第一道屏障。水電站進(jìn)水口前沿設(shè)置一道浮式攔污排，可以將進(jìn)入電站進(jìn)水口水域表層的大部分漂浮物先行攔截，從而減輕攔污柵和清污機(jī)的攔污和清污的壓力，避免攔污柵出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞問題，保證電站能安全正常運(yùn)行[1]。由于漂浮物的不斷堆積，攔污排所承受的壓力越來越大，并且在水流沖擊影響下，攔污排承受單向不穩(wěn)定載荷，造成連接攔污排和支墩的安全拉桿出現(xiàn)疲勞斷裂。安全拉桿斷裂后，大量漂浮污物涌向攔污柵，導(dǎo)致水電站必須停機(jī)清理漂浮物，清理全部漂浮物需要幾天甚至十幾天，長時(shí)間的停機(jī)清理給水電站帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，安全拉桿的工作壽命也是浮式攔污排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵問題。

由于各個(gè)水電站的樞紐布置、環(huán)境、水流等情況存在較大差異，目前攔污排尚沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)程以適應(yīng)不同水電站的實(shí)際需求。大部分?jǐn)r污排參考現(xiàn)有工程及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析[2-3]，欠缺攔污排工作強(qiáng)度等方面的研究，導(dǎo)致攔污排長時(shí)間在復(fù)雜環(huán)境下工作存在安全風(fēng)險(xiǎn)。徐遠(yuǎn)杰等[4-5]利用柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了攔污排的空間多剛體模型，構(gòu)建了攔污排的三維控制方程，進(jìn)行數(shù)值解的迭代計(jì)算，通過該方法計(jì)算出特定情況下攔污排在空間中的平衡形狀，并可求出攔污排上各點(diǎn)的張力，但其研究沒有綜合考慮漂浮物堆積對攔污排的影響。流固耦合方法是解決流體與固體相互作用工程問題的有效方法之一，應(yīng)用于水力機(jī)械的優(yōu)化研究取得了許多重要成果[6-9]，但該方法應(yīng)用于攔污排設(shè)計(jì)研究幾乎還沒有涉及。

本文結(jié)合廣西郁江某水電站浮式攔污排進(jìn)行研究，該電站浮式攔污排情況如圖1所示。在漂浮物和水流長期沖擊的影響下，攔污排安全拉桿發(fā)生斷裂，安全拉桿疲勞斷裂情況如圖2所示。斷裂截面一側(cè)出現(xiàn)疲勞條帶，另一側(cè)斷口形貌粗糙，為瞬時(shí)斷裂區(qū)，該特征為承受單向彎曲載荷下的疲勞斷裂特征。研究采用流固耦合方法，根據(jù)實(shí)際情況建立攔污排有限元模型，基于單向流固耦合計(jì)算出安全拉桿斷裂處應(yīng)力值，更改攔污排浮箱數(shù)量以調(diào)整攔污排結(jié)構(gòu)布局，比較安全拉桿斷裂處應(yīng)力值的變化情況，分析攔污排結(jié)構(gòu)布局對安全拉桿應(yīng)力值的影響，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整浮箱數(shù)量達(dá)到攔污排結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

圖1 電站浮式攔污排示意圖

圖2 安全拉桿疲勞斷裂情況

1 流固耦合計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

流固耦合問題是流體與固體的物理場之間相互作用問題，是流體、固體兩相介質(zhì)之間的相互作用[10]。

ANSYS中求解流固耦合問題的方式是分離求解，在流體求解器和結(jié)構(gòu)求解器上計(jì)算各自的物理變量。按兩求解器的數(shù)據(jù)傳遞方式，流固耦合可分為單向流固耦合和雙向流固耦合。單向流固耦合只考慮流體對固體的影響，認(rèn)為流體作用于固體造成的固體變形對流體影響較小，可以忽略不計(jì)；雙向流固耦合對流場和結(jié)構(gòu)迭代計(jì)算，考慮了耦合面變形的影響[11]。由于攔污排模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，加之雙向流固耦合方法本身會(huì)占用龐大的計(jì)算資源，使用該方法直接分析攔污排模型動(dòng)態(tài)特性難以實(shí)現(xiàn)。本文采用單向流固耦合方法對攔污排的研究，主要考慮攔污排靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能。攔污排的單向流固耦合實(shí)現(xiàn)過程[12]是：在Fluent模塊下對流體域進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出流固耦合面上的水壓力載荷，攔污排的流固耦合面為各個(gè)浮箱與漂浮物與水的接觸面；然后直接將壓力載荷加載到結(jié)構(gòu)域耦合面上，在結(jié)構(gòu)域中做靜力學(xué)計(jì)算進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，整個(gè)耦合計(jì)算過程在Static Structural模塊中實(shí)現(xiàn)，兩域的數(shù)據(jù)傳遞通過網(wǎng)格映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)。

本文攔污排周圍流體的計(jì)算湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其控制方程為雷諾平均N-S方程，包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程[13-14]連續(xù)方程和動(dòng)量方程如下：

(1)

(2)

本文基于單向流固耦合對攔污排模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力學(xué)線形分析方程[15]為

σ=BDK-1F，

(3)

式中，σ為應(yīng)力矩陣；B為彈性矩陣；D為應(yīng)變矢量；K為剛度矩陣；F為力矩陣。

等效應(yīng)力按第四強(qiáng)度理論[16]計(jì)算：

(4)

式中，σ1、σ2、σ3為一個(gè)作用點(diǎn)的3個(gè)相互垂直的主應(yīng)力；σe等效應(yīng)力。

1.2 結(jié)構(gòu)域計(jì)算模型

本文所研究的浮式攔污排共由32個(gè)浮箱組成，各浮箱之間使用連接拉桿連接；上下兩支墩設(shè)置活動(dòng)錨頭，可隨水位調(diào)節(jié)攔污排高度；浮箱與上支墩的活動(dòng)錨頭利用連接拉桿連接，浮箱與下支墩的活動(dòng)錨頭使用安全拉桿連接；下支墩位于河流中心，水流速度較大，上支墩建立在河岸上。受水流和漂浮物影響，攔污排工作時(shí)布置情況如圖3所示。

圖3 浮式攔污排布置簡圖

結(jié)構(gòu)域計(jì)算模型包括攔污排和漂浮物有限元模型。攔污排為裝配體，按圖紙建立有限元模型，忽略對整體影響較小的細(xì)節(jié)，浮箱間的位置關(guān)系近似還原實(shí)際工作情況。漂浮物主要為樹木和生活垃圾等，堆積在攔污掛柵前會(huì)造成攔污排受水流作用面積增大，安全拉桿承壓增大。為便于研究，將每一個(gè)掛柵前漂浮物視作一個(gè)整體，并將其簡化為一個(gè)長方體模型作用于掛柵。圖4給出了結(jié)構(gòu)域計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)域模型材料參數(shù)定義：攔污排模型材料為Q235鋼；漂浮物主要為樹木，這里規(guī)定漂浮物模型材料為木材，模型材料屬性見表1。

圖4 結(jié)構(gòu)域計(jì)算模型

表1 模型材料屬性

攔污排零件多、整體尺寸大且?guī)缀涡螤顝?fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)域模型的網(wǎng)格質(zhì)量，浮箱模型進(jìn)行切割分塊處理并組合成多體零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；浮箱模型網(wǎng)格如圖5所示，安全拉桿模型網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 浮箱模型網(wǎng)格

圖6 安全拉桿模型網(wǎng)格

1.3 流體域計(jì)算模型

流體域是截取的攔污排所在河流段水域，所取流體域尺寸為長度216 m，寬度103 m，高度3 m。攔污排入水部分界面為流固耦合邊界。通常結(jié)構(gòu)域和流體域模型在邊界面上的節(jié)點(diǎn)并不重合、網(wǎng)格不相同，有限元中采用插值法計(jì)算流體作用在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，因此兩域模式可以采用不同的網(wǎng)格劃分方法[17]。由于耦合邊界面存在許多狹長縫隙且分布不規(guī)律，流體域模型選擇四面體網(wǎng)格劃分方法，尺寸功能選擇Proximity控制狹長縫隙的單元數(shù)量。流體域網(wǎng)格信息見表2。

表2 流體域網(wǎng)格信息

設(shè)置流體域進(jìn)口邊界條件為速度入口，通過UDF定義進(jìn)口邊界流速呈拋物線分布，最大流速 2 km/h，河岸水流速趨于0，近似模擬實(shí)際河流中非線性流速情況，進(jìn)口流速分布情況如圖7所示。出口邊界條件設(shè)置為自由出口，壁面邊界條件設(shè)置為滑移邊界，兩域流固耦合邊界設(shè)置為無滑移邊界。

圖7 進(jìn)口流速分布情況

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

在實(shí)際情況下，攔污排所在河流段水流狀況復(fù)雜多變，來流流速非定常，攔污排攔截的漂浮物呈無法估算地動(dòng)態(tài)積累與減少。這種復(fù)雜的實(shí)際工作環(huán)境狀況在ANSYS工作環(huán)境下難以對數(shù)值進(jìn)行精確模擬，且復(fù)雜工況的數(shù)值模擬會(huì)帶來極大計(jì)算量，因此，上述兩域計(jì)算模型建立過程進(jìn)行了必要的簡化。下面結(jié)合攔污排實(shí)際工作情況與流固耦合計(jì)算結(jié)果對比，分析簡化的兩域模型與實(shí)際情況是否大致相符。流固耦合計(jì)算包括流體域瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算與結(jié)構(gòu)域靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果。圖8為流體域瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算得到的流體域速度流線圖。從圖8可知，在水流速度較大的流域，攔污排后方會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，流速小的地方基本無回流出現(xiàn)。觀察實(shí)際水流情況發(fā)現(xiàn)，水流速度較大的河流中段處攔污排后方區(qū)域有明顯的回流現(xiàn)象，而接近河岸水流速度小的區(qū)域回流現(xiàn)象不明顯；從圖1能看出，河流中段處攔污排后方出現(xiàn)有漂浮物堆積現(xiàn)象，反映了流體回流情況，而接近河岸的攔污排后方無漂浮物堆積。流體域數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符合，說明文中建立的流體域計(jì)算模型用于攔污排流固耦合計(jì)算是可行的。

圖8 流體域速度流線圖

將在流體域中計(jì)算得到的流固耦合面的壓力分布載荷導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊，圖9為浮箱及漂浮物壓力載荷分布情況(俯視圖)。對結(jié)構(gòu)域進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，得到攔污排整體等效應(yīng)力應(yīng)變情況。安全拉桿連接著支墩和攔污排，作用是防止攔污排拉力過大損壞支墩，所以在安全拉桿中間設(shè)計(jì)小凹槽限制最大拉力。疲勞斷裂通常發(fā)生在安全拉桿中間截面突變處，因此本文結(jié)構(gòu)域靜力學(xué)分析主要觀察安全拉桿的應(yīng)力和應(yīng)變情況，以安全拉桿的應(yīng)力值為指標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)域模型的正確性。計(jì)算結(jié)果顯示，攔污排最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在安全拉桿上，圖10給出了安全拉桿在耦合計(jì)算下的應(yīng)力及應(yīng)變情況。耦合計(jì)算得到的安全拉桿斷裂處應(yīng)力值為102.9 MPa，以工程中安全因數(shù)為2，該應(yīng)力情況滿足強(qiáng)度條件但存在著疲勞斷裂隱患，與安全拉桿實(shí)際應(yīng)力情況相近，該模型可用于后續(xù)攔污排結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析。

圖9 浮箱及漂浮物的壓力載荷分布情況

(a) 安全拉桿應(yīng)力

2 攔污排結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

2.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

據(jù)水電站工作人員記錄，安全拉桿1～2 a出現(xiàn)一次疲勞斷裂。安全拉桿壽命短、頻繁疲勞斷裂，說明攔污排設(shè)計(jì)存在不合理之處，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場對攔污排的分析，攔污排整體尺寸大，在水流和漂浮物的綜合影響下攔污排結(jié)構(gòu)布局對安全拉桿受力情況會(huì)有重大影響。為了降低安全拉桿受力大小、提高工作壽命，本文從結(jié)構(gòu)布局的角度著手，通過改變浮箱數(shù)量調(diào)整攔污排結(jié)構(gòu)布局，研究不同浮箱數(shù)量情況的攔污排結(jié)構(gòu)布局與安全拉桿應(yīng)力值之間的關(guān)系，確定該攔污排模型中使安全拉桿應(yīng)力值達(dá)到最小的浮箱數(shù)量布局方案。

目前水電站使用的攔污排浮箱數(shù)量為32，當(dāng)浮箱數(shù)量為29時(shí)攔污排在兩支墩之間近似呈直線分布，浮箱數(shù)量為n的攔污排位置如圖11所示。建立浮箱數(shù)量分別為29、30、31、32及33的攔污排結(jié)構(gòu)域模型，流體域模型按上述方法建立，采用單向流固耦合方法計(jì)算安全拉桿的應(yīng)力?？紤]攔污排前堆積的漂浮物數(shù)量是非穩(wěn)定的，對不同漂浮物堆積情況進(jìn)行分析。漂浮物作用于攔污掛柵實(shí)質(zhì)上造成整個(gè)攔污排受水壓力面積增大。將每一個(gè)浮箱前堆積的漂浮物視為一個(gè)整體，作用于攔污掛柵，增大流固耦合面。按占據(jù)攔污掛柵的面積比例量化估算漂浮物堆積，如圖12給出了浮箱前堆積的漂浮物量化情況。計(jì)算在定流速下攔污掛柵無漂浮物堆積、堆積漂浮物占40%及堆滿漂浮物三種情況的安全拉桿應(yīng)力值，以安全拉桿應(yīng)力值的變化情況為指標(biāo)分析攔污排設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并推出適用于實(shí)際情況的最合理浮箱數(shù)量結(jié)構(gòu)布局。

圖11 浮箱數(shù)量為n的攔污排位置

(a) 浮箱前堆積漂浮物約占40 %

2.2 結(jié)果對比分析

假設(shè)攔污排所處河段中間最大流速的平均值為2 km/h，對不同漂浮物堆積情況下不同浮箱數(shù)量的攔污排模型進(jìn)行計(jì)算分析。圖13至圖15列出了在無漂浮物、堆積漂浮物占40%及堆滿漂浮物3種情況下浮箱數(shù)量分別為29、30、31、32及33的安全拉桿應(yīng)力值。

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應(yīng)的安全拉桿應(yīng)力

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應(yīng)的安全拉桿應(yīng)力

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應(yīng)的安全拉桿應(yīng)力

圖16給出了三種漂浮物堆積情況下，不同浮箱數(shù)量攔污排模型的安全拉桿斷裂處應(yīng)力情況。從圖16可看出，不同浮箱數(shù)量下的攔污排模型安全拉桿斷裂處應(yīng)力值有明顯差異，且堆積的漂浮物越多，差異越明顯；從無漂浮物到堆滿漂浮物的過程中，隨浮箱數(shù)量的增加，安全拉桿的應(yīng)力變化范圍和平均應(yīng)力值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，可見基于改變浮箱數(shù)量的攔污排結(jié)構(gòu)優(yōu)化是合理有效的。針對本文模型，采用30個(gè)浮箱組成的攔污排結(jié)構(gòu)更為合適，能降低漂浮物堆積過程中安全拉桿平均應(yīng)力值、減小應(yīng)力幅，進(jìn)而提高安全拉桿工作壽命。

圖16 三種漂浮物堆積情況下不同浮箱數(shù)量對應(yīng)的安全拉桿應(yīng)力值變化

3 結(jié)論

本文建立某水電站攔污排在額定流速條件下的流固耦合計(jì)算模型，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況對比，證明了模型的正確性。針對安全拉桿工作壽命短、頻繁疲勞斷裂的問題，從改變浮箱數(shù)量來調(diào)整攔污排結(jié)構(gòu)布局的角度進(jìn)行優(yōu)化。為了研究實(shí)際工況下合理的攔污排結(jié)構(gòu)布局，建立3種漂浮物堆積情況下浮箱數(shù)量從29到33的攔污排耦合計(jì)算模型，比較基于單向流固耦合方法計(jì)算得到的各模型中安全拉桿斷裂處應(yīng)力值，得出以下結(jié)論：

① 調(diào)整浮箱數(shù)量以改變攔污排結(jié)構(gòu)布局會(huì)對安全拉桿應(yīng)力有明顯影響；

② 在攔污排長度足夠的前提下，增加浮箱數(shù)量改變攔污排布局，漂浮物堆積過程中安全拉桿平均應(yīng)力值與應(yīng)力幅呈現(xiàn)減小后增大的變化趨勢，選擇合適的浮箱數(shù)量、設(shè)計(jì)合理的攔污排結(jié)構(gòu)布局是提高攔污排工作壽命的有效方式。