基于流固耦合的引黄济临工程引水暗涵应力分析.pdf
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1、第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59,No.6Jun.,2023DOI:10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.009收稿日期:2023-04-30作者简介:王开喜(1983-),男,甘肃民乐人,高级工程师,学士,主要从事水利水电工程规划设计,E-mail:。基于流固耦合的引黄济临工程引水暗涵应力分析王开喜(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730000)摘要:为探究有压引水暗涵在不同工况下的力学性能,采用
2、流体动力学数值计算与流固耦合方法,对引黄济临工程一级泵站引水暗涵的应力特性进行了数值模拟研究。通过分析得出:暗涵在进口剖面处管壁的总变形量近似为零,随着与进口距离的增加,管壁的总变形呈增大趋势,在距进口1.52.0 m处的中间区域达到最大值,之后随着与进口距离的继续增加,管壁的总变形呈减小趋势,在暗涵末端再次接近于零。左右两侧内壁面中轴线上的等效应力分布基本相同,随着流速的增大,其变化幅度也增大,但当流速增大到一定程度时,其变化曲线基本重合;最大主应力、最小主应力的最大值随着流速的增大而增大,最小值随着流速的增大而减小,但其平均值趋于稳定。关键词:暗涵;流固耦合;变形;应力;Ansys软件中图
3、分类号:TV672文献标志码:A文章编号:2095-0144(2023)06-0041-06引水暗涵是长距离输水工程中重要的引水建筑物之一,在运行过程中,若涵顶高度不够或通气量不足,将出现明满流交替,引起压强和流速的剧烈变化,对暗涵壁面结构的稳定造成不利影响。引水暗涵在运行时,不同流速条件下的结构应力特性存在较大差异。暗涵不同位置处的应力、应变分布不同,存在应力集中现象和横向、纵向变形。因此,探讨引水暗涵的结构应力特性,对于了解其应力分布情况及准确判断危险区域十分重要。对于输水涵管在不同作用下应力特性的变化有较多的研究。姚惠惠等1分析了某水电站压力管道的应力,探讨了Ansys软件在管道应力分析
4、方面的应用。张献才等2采用有限单元法对某重力坝坝体输水洞、发电洞的工作应力状态进行了三维有限元分析。刘光华等3采用三维数值模拟仿真技术对穿越南水北调中线北京段卢沟桥输水暗涵进行了动态模拟。高祥泽4采用有限元软件Abaqus对某暗涵在设计工况下的应力、变形进行分析,探究了暗涵的结构应力和变形规律。李玺5在泊松流固耦合的基础上建立了管道内部流体的动力学模型,研究分析了管道的流固耦合受力情况。刘怒涛6采用渗流-应力耦合数值模拟方法,分析了泄水涵洞的应力应变特性。由于暗涵运行时的条件不同,因此不同工况下的应力也各有特点。采用Ansys有限元软件,对引黄济临一级泵站工程中引水暗涵的结构应力特性进行流固耦
5、合分析,为引黄济临工程的安全稳定运行及维护提供理论支撑,也为长距离引调水工程的引水建筑物设计提供参考。1数值计算方法流固耦合方法主要研究可变形固体在流场中的各种行为及固体变化对于流场的影响。按照影响方式的不同可以分为单向流固耦合和双向流固耦合问题,单向流固耦合忽略固体变形对流场的影响;双向流固耦合既考虑流场对固体变形的影响,还考虑固体变形对流场的影响。由于算例中的引水暗涵材料为钢筋混凝土,变形较小。因此,数值模拟时采用了单向流固耦合方法。1.1流体运动分析描述流固耦合问题需要求解流体力学N-S方程与固体力学小变形理论结合形成的流固耦合(FSI)基本方程。流体计算方面符合质量守恒方程和动量守恒方
6、程,具体如下。质量守恒方程:41t+(v)=0(1)动量守恒方程:(u)t+(v)=-x+xxx+xyy+zxz+fx(x分量)(2)(u)t+(v)=-y+xyx+yyy+zyz+fy(y分量)(3)(u)t+(v)=-z+xzx+yzy+zzz+fz(z分量)(4)式中:表示流体密度;t 表示时间;v 表示速度矢量;表示剪切力张量;fx、fy、fz表示体积力矢量。1.2控制方程及离散求解选用标准k-湍流模型,在三维直角坐标系下,其控制方程组为:kt+()kuixi=xj+tkkxj+Gk-(5)t+(ui)xi=xj(+t)xj+C1kGk-C22k(6)式中:t为湍流黏性系数;C1、C2
7、、k和为经验常数,取值分别为1.44、1.92、1.0和1.3;Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。1.3流固耦合边界分析在流固耦合交界面处,需要同时满足流体域与固体域的应力、位移等变量相等或守恒。流固耦合问题可根据流体域与固体域之间物理场耦合程度的不同分为强耦合和弱耦合,对应的求解方法为直接解法和分离解法。直接解法将流场与结构场的控制方程耦合到同一方程矩阵中求解,在同一求解器中同时求解流体和固体的控制方程:AffAfsAsfAssXkfXks=BfBs(7)式中:Aff表示迭代时间步;Afs、Asf代表流固耦合的耦合矩阵;Ass、Xks分别为固体区域对应项;Xkf为流场系统矩阵;Bf为
8、外部作用力;Bs为待求解作用力。2仿真分析2.1模型建立及网格划分引水暗涵为现浇C30钢筋混凝土箱形结构,横剖面尺寸(宽高壁厚)为2.5 m2.5 m0.5 m,总长为53.0 m,暗涵纵剖面如图1所示。C30钢筋混凝土的密度为2 360 kg/m3,抗拉强度为30.0 MPa,抗压强度设计值为34.5 MPa。根据引水暗涵的结构建立流固耦合模型,如图2所示。对模型的流体区域进行网格划分,网格数量为740 014个(图3)。2.2边界条件及工况压力与速度的耦合采用SIPMLE(压力耦合方绿滨垫块石护坡(厚40 cm)反滤土工布(350 g/m2)C20混凝土压顶厂区栏杆1 738.851 1.
9、51 729.981 1.51 724.00原地面线1 1.51 718.00(正常运行水位)1 717.001 719.901 717.00(最低水位)2 185 cm原土夯填1 714.001 0.5进水口钢格栅水流方向1 714.00引水暗涵段C25混凝土图1引水暗涵纵剖面2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷/m42XYZ图3流体域网格划分程组的半隐式方法)算法,离散计算时压力相、动量相、湍动能和耗散率均采用二阶格式,通过监测出口断面压力的变化判断计算的收敛情况。引水暗涵内部为有压水流,其进口边界设置为速度进口,流速根据引水流量的变化分别取0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/
10、s、0.4 m/s和0.5 m/s,对应的雷诺数Re分别为6 201、14 402、186 603、248 804和311 004。对于进口断面的湍流,选取了湍流强度和水力直径2个参数,湍流强度I为5%,水力直径为2.5 m。出流边界设置为压力出流边界。近壁面的计算采用壁面函数法,壁面的粗糙度取钢筋混凝土的粗糙度(0.8 mm),粗糙度常数为0.5。在计算时,考虑重力的影响,重力方向为Z方向(竖直向下),并且在暗涵底部和进出口处分别添加固定约束。2.3流固耦合方法采用流体力学分析软件(CFD)先进行流场计算,然后将计算数据传递给结构有限元模型进行结构动力分析。应用Ansys Workbench
11、平台可以实现不同模块间的数据传递,具体采用插值法将流体对侧壁的压力通过耦合面传递到侧壁表面,能够为壁面应力分析提供荷载数据。3计算结果分析3.1总变形图4为引水暗涵表面的总变形云图,从中可以看出,由于在进口断面添加了固定约束,管壁的总变形量很小,近似为零;随着与进口距离的增加,管壁的总变形也呈增大趋势,在距进口1.52.0 m处的中间区域达到最大值;之后随着与进口距离的继续增加,管壁的总变形呈减小趋势,在暗涵末端接近于零。出现这种减小趋势的原因在于,受壁面和内部水流黏性的影响,存在水头损失,断面的总能量是沿程减小的,使得后部变形呈带状分布并逐渐减小。靠近侧壁的两侧部位由于约束作用,变形较小。为
12、了研究引水暗涵的变形分布,分别选取了距离进水口2 m、8 m、16 m、24 m和32 m处的暗涵横剖面,各剖面在不同流速(0.1 m/s、0.5 m/s)下的变形如图 5 所示。由于引水暗涵底部为固定约束,其他3 个壁面为自由端,所以暗涵底部的变形为零,其他3个壁面的变形基本相似。暗涵中间部位变形较大,两端逐渐减小,主要原因是中间部位无约束,而在端部连接处有相互约束。因此,暗涵的中间部位为其薄弱处。绘制不同速度下,引水暗涵壁面总变形的最大ZYX图2流固耦合模型图4暗涵总变形最小最大0.00e+00 1.17e-11 2.34e-11 3.50e-11 4.67e-11 5.84e-11 7.
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