基于流固耦合的浮式攔污排結構優(yōu)化分析

文善賢，符家和，郭姍姍，楊毅，李思玥，毛漢領*

(1.廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004；2.南寧交通資產(chǎn)管理有限責任公司， 廣西 南寧 530000)

0 引言

浮式攔污排是水電站進水口攔污系統(tǒng)的第一道屏障。水電站進水口前沿設置一道浮式攔污排，可以將進入電站進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的攔污和清污的壓力，避免攔污柵出現(xiàn)嚴重堵塞問題，保證電站能安全正常運行[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，導致水電站必須停機清理漂浮物，清理全部漂浮物需要幾天甚至十幾天，長時間的停機清理給水電站帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，安全拉桿的工作壽命也是浮式攔污排結構設計需要考慮的關鍵問題。

由于各個水電站的樞紐布置、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)一的設計規(guī)程以適應不同水電站的實際需求。大部分攔污排參考現(xiàn)有工程及經(jīng)驗進行設計和分析[2-3]，欠缺攔污排工作強度等方面的研究，導致攔污排長時間在復雜環(huán)境下工作存在安全風險。徐遠杰等[4-5]利用柔性多體系統(tǒng)動力學理論，建立了攔污排的空間多剛體模型，構建了攔污排的三維控制方程，進行數(shù)值解的迭代計算，通過該方法計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，應用于水力機械的優(yōu)化研究取得了許多重要成果[6-9]，但該方法應用于攔污排設計研究幾乎還沒有涉及。

本文結合廣西郁江某水電站浮式攔污排進行研究，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。斷裂截面一側出現(xiàn)疲勞條帶，另一側斷口形貌粗糙，為瞬時斷裂區(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)實際情況建立攔污排有限元模型，基于單向流固耦合計算出安全拉桿斷裂處應力值，更改攔污排浮箱數(shù)量以調(diào)整攔污排結構布局，比較安全拉桿斷裂處應力值的變化情況，分析攔污排結構布局對安全拉桿應力值的影響，以實現(xiàn)調(diào)整浮箱數(shù)量達到攔污排結構優(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 流固耦合計算

1.1 計算方法

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，在流體求解器和結構求解器上計算各自的物理變量。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；雙向流固耦合對流場和結構迭代計算，考慮了耦合面變形的影響[11]。由于攔污排模型結構復雜、體積大，加之雙向流固耦合方法本身會占用龐大的計算資源，使用該方法直接分析攔污排模型動態(tài)特性難以實現(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)結構性能。攔污排的單向流固耦合實現(xiàn)過程[12]是：在Fluent模塊下對流體域進行數(shù)值模擬，計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構域耦合面上，在結構域中做靜力學計算進行有限元應力分析，整個耦合計算過程在Static Structural模塊中實現(xiàn)，兩域的數(shù)據(jù)傳遞通過網(wǎng)格映射關系實現(xiàn)。

本文攔污排周圍流體的計算湍流模型采用標準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)方程和動量方程[13-14]連續(xù)方程和動量方程如下：

(1)

(2)

本文基于單向流固耦合對攔污排模型進行穩(wěn)態(tài)計算，其結構應力學線形分析方程[15]為

σ=BDK-1F，

(3)

式中，σ為應力矩陣；B為彈性矩陣；D為應變矢量；K為剛度矩陣；F為力矩陣。

等效應力按第四強度理論[16]計算：

(4)

式中，σ1、σ2、σ3為一個作用點的3個相互垂直的主應力；σe等效應力。

1.2 結構域計算模型

本文所研究的浮式攔污排共由32個浮箱組成，各浮箱之間使用連接拉桿連接；上下兩支墩設置活動錨頭，可隨水位調(diào)節(jié)攔污排高度；浮箱與上支墩的活動錨頭利用連接拉桿連接，浮箱與下支墩的活動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，攔污排工作時布置情況如圖3所示。

圖3 浮式攔污排布置簡圖

結構域計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節(jié)，浮箱間的位置關系近似還原實際工作情況。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，將每一個掛柵前漂浮物視作一個整體，并將其簡化為一個長方體模型作用于掛柵。圖4給出了結構域計算模型。結構域模型材料參數(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 結構域計算模型

表1 模型材料屬性

攔污排零件多、整體尺寸大且?guī)缀涡螤顝碗s，為保證結構域模型的網(wǎng)格質(zhì)量，浮箱模型進行切割分塊處理并組合成多體零件進行網(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。通常結構域和流體域模型在邊界面上的節(jié)點并不重合、網(wǎng)格不相同，有限元中采用插值法計算流體作用在結構上的應力，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

設置流體域進口邊界條件為速度入口，通過UDF定義進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，近似模擬實際河流中非線性流速情況，進口流速分布情況如圖7所示。出口邊界條件設置為自由出口，壁面邊界條件設置為滑移邊界，兩域流固耦合邊界設置為無滑移邊界。

圖7 進口流速分布情況

1.4 計算結果分析

在實際情況下，攔污排所在河流段水流狀況復雜多變，來流流速非定常，攔污排攔截的漂浮物呈無法估算地動態(tài)積累與減少。這種復雜的實際工作環(huán)境狀況在ANSYS工作環(huán)境下難以對數(shù)值進行精確模擬，且復雜工況的數(shù)值模擬會帶來極大計算量，因此，上述兩域計算模型建立過程進行了必要的簡化。下面結合攔污排實際工作情況與流固耦合計算結果對比，分析簡化的兩域模型與實際情況是否大致相符。流固耦合計算包括流體域瞬態(tài)數(shù)值計算與結構域靜力學計算結果。圖8為流體域瞬態(tài)數(shù)值計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)值計算結果與實際情況基本相符合，說明文中建立的流體域計算模型用于攔污排流固耦合計算是可行的。

圖8 流體域速度流線圖

將在流體域中計算得到的流固耦合面的壓力分布載荷導入靜力學分析模塊，圖9為浮箱及漂浮物壓力載荷分布情況(俯視圖)。對結構域進行有限元應力分析，得到攔污排整體等效應力應變情況。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計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，因此本文結構域靜力學分析主要觀察安全拉桿的應力和應變情況，以安全拉桿的應力值為指標判斷結構域模型的正確性。計算結果顯示，攔污排最大應力應變出現(xiàn)在安全拉桿上，圖10給出了安全拉桿在耦合計算下的應力及應變情況。耦合計算得到的安全拉桿斷裂處應力值為102.9 MPa，以工程中安全因數(shù)為2，該應力情況滿足強度條件但存在著疲勞斷裂隱患，與安全拉桿實際應力情況相近，該模型可用于后續(xù)攔污排結構的優(yōu)化分析。

圖9 浮箱及漂浮物的壓力載荷分布情況

(a) 安全拉桿應力

2 攔污排結構優(yōu)化及分析

2.1 優(yōu)化方案設計

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，說明攔污排設計存在不合理之處，需要對結構進行優(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構布局對安全拉桿受力情況會有重大影響。為了降低安全拉桿受力大小、提高工作壽命，本文從結構布局的角度著手，通過改變浮箱數(shù)量調(diào)整攔污排結構布局，研究不同浮箱數(shù)量情況的攔污排結構布局與安全拉桿應力值之間的關系，確定該攔污排模型中使安全拉桿應力值達到最小的浮箱數(shù)量布局方案。

目前水電站使用的攔污排浮箱數(shù)量為32，當浮箱數(shù)量為29時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的攔污排結構域模型，流體域模型按上述方法建立，采用單向流固耦合方法計算安全拉桿的應力。考慮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行分析。漂浮物作用于攔污掛柵實質(zhì)上造成整個攔污排受水壓力面積增大。將每一個浮箱前堆積的漂浮物視為一個整體，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力值，以安全拉桿應力值的變化情況為指標分析攔污排設計的優(yōu)劣，并推出適用于實際情況的最合理浮箱數(shù)量結構布局。

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 結果對比分析

假設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)量的攔污排模型進行計算分析。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的安全拉桿應力值。

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應的安全拉桿應力

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應的安全拉桿應力

(a) 浮箱數(shù)量為29所對應的安全拉桿應力

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，安全拉桿的應力變化范圍和平均應力值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，可見基于改變浮箱數(shù)量的攔污排結構優(yōu)化是合理有效的。針對本文模型，采用30個浮箱組成的攔污排結構更為合適，能降低漂浮物堆積過程中安全拉桿平均應力值、減小應力幅，進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)量對應的安全拉桿應力值變化

3 結論

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算模型，將計算結果與現(xiàn)場實際情況對比，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)整攔污排結構布局的角度進行優(yōu)化。為了研究實際工況下合理的攔污排結構布局，建立3種漂浮物堆積情況下浮箱數(shù)量從29到33的攔污排耦合計算模型，比較基于單向流固耦合方法計算得到的各模型中安全拉桿斷裂處應力值，得出以下結論：

① 調(diào)整浮箱數(shù)量以改變攔污排結構布局會對安全拉桿應力有明顯影響；

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力值與應力幅呈現(xiàn)減小后增大的變化趨勢，選擇合適的浮箱數(shù)量、設計合理的攔污排結構布局是提高攔污排工作壽命的有效方式。