阶梯式溢流坝台阶面力学性能数值模拟研究及优化_赵廷红.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 1 3 6-0 8阶梯式溢流坝台阶面力学性能数值模拟研究及优化赵廷红*,施宇轩(兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:借助AN S Y S有限元分析软件,考虑阶梯式溢流坝台阶面在坝体附近水流作用下的应力状况,对台阶式溢流坝进行优化改进尝试,并对原模型和优化方案进行了综合对比.计算结果表明,台阶隅角内容易出现应力奇异点,进而危害结构安全.而采用在台阶隅角内设计圆角的优化改进措施,可以在基本不影响消能性能的前提下改善这一状况.关键词:阶梯式溢流坝;流固耦合;力学性能;优化方案中图分类号:TV 6 5 3+.9 文献标志码:AN u m e r i c a l s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t e ps u r f a c e s f o r s t e p p e ds p i l l w a yZ HAOT i n g-h o n g,S H IY u-x u a n(S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h eh e l po fAN S Y Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e,t h es t r e s ss t a t eo fs t e ps u r f a c eo fs t e p p e ds p i l l w a yd a mu n d e r t h ea c t i o no fw a t e rf l o wn e a rt h ed a mb o d yh a sb e e nc o n c e r n e d,a n dt h ea t-t e m p t t oo p t i m i z e a n d i m p r o v e t h e s t e p p e ds p i l l w a yd a mh a sb e e nc a r r i e do u t,f o l l o w e db y t h e c o m p r e h e n-s i v ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h eo r i g i n a lm o d e l a n do p t i m i z a t i o ns c h e m e.T h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h es t r e s ss i n g u l a r i t y i se a s yt oa p p e a r i nt h ec o r n e ro f t h es t e p,w h i c hw i l l e n d a n g e rt h es a f e t yo f t h es t r u c-t u r e.H o w e v e r,t h i ss i t u a t i o nc a nb e i m p r o v e db ya d o p t i n gt h eo p t i m i z a t i o na n d i m p r o v e m e n tm e a s u r e so ft h e f i l l e t i nt h ec o r n e ro f t h es t e pw i t h o u tb a s i c a l l ya f f e c t i n gt h ee n e r g yd i s s i p a t i o np e r f o r m a n c e.K e yw o r d s:s t e p p e ds p i l l w a yd a m;f l u i d-s t r u c t u r ec o u p l i n g;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s;o p t i m i z a t i o ns c h e m e 阶梯式溢流坝是在溢流坝面上从胸墙附近直到坝趾处设计一系列台阶的消能形式.设计良好的阶梯式溢流坝可以显著缩小甚至完全省去消力池,获得巨大的经济效益1.在以往针对阶梯式溢流坝的各类研究中,常以台阶面附近的水气两相流及自由液面为研究对象,消能率等水力学要素常成为研究的重点.例如,蒋晓光2、王强等3针对台阶高度对消能率影响进行了研究,Y o u i c h i等4、田嘉宁等5对台阶面附近滑行流、过渡流与跌落流的流态进行划分,张志昌6针对溢流面上水面线高度进行了计算等.而当涉及到坝体周围流体对坝体影响的探讨 收稿日期:2 0 2 0-0 1-2 2 基金项目:国家自然科学基金地区基金(5 1 0 6 9 0 0 4)通讯作者:赵廷红(1 9 7 4-),女,甘肃临夏人,副教授,博士.E m a i l:z h a o t h 2 6 2 61 6 3.c o m时,流固耦合方法做为一种常见的数值模拟方法被应用于此类研究中.例如,李昆等7采用流固耦合方法研究了泥石流对切口拦沙坝的冲击,王忠福等8探究了水位变化时渗流对丁坝力学性能的影响,岑威钧等9研究了高土石坝受地震影响时库水与坝体间的流固耦合作用,魏博文等1 0提出了考虑层内参数特性的碾压混凝土坝流固耦合分析模型等.综合以上研究背景可以得知,针对阶梯式溢流坝坝体及台阶面本身力学性能的研究并不多见,针对阶梯式溢流坝这一较为特殊的坝体结构的流固耦合研究也是比较少见的.基于目前研究现状,本文针对台阶在坝体附近水流作用下的应力状况及可能存在的结构问题,采用数值模拟计算方法,将主要进行以下两方面研究:(1)计算并研究阶梯在水流影响下的应力分布状况,针对台阶隅角内的尖锐转角,检测该处可能存在第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3的应力奇异点;(2)尝试初步的优化措施,并将优化方案与传统设计进行综合比对.这类计算可以显示上述部分的力学性能,并对优化方案进行验证,以期为坝面形变的监测与检修提供合理化建议,为进一步的改进设计提供思路.1 坝体及流体域模型建立模拟计算所用模型由某阶梯溢流坝试验模型放大并改进后得到1 1.阶梯溢流坝的堰面曲线为标准的WE S曲线,其具体参数为:设计水头1.9 4m,上游水深1 2.7 4m.WE S堰面曲线为y=0.2 8 46 6 7x1.8 5(单位为m),堰顶上游由三段圆弧与上游垂直坝面相连,三段圆弧半径分别为0.0 7 76、0.3 8 8、0.9 7m.在坡面切点以下,溢流坝面的设计坡度为10.7 5.整个坝面设有1 3个阶梯(从与堰面曲线相接的阶梯算起,亦即与堰面曲线相接的第1段竖直固壁为第1级阶梯的竖直固壁),前3个为过渡阶梯,高度分别为0.3 5、0.5 5、0.9m.接下来设置1 0个1.2m高、0.9m宽的均匀阶梯.坝趾则与半径5.6 9m的反弧段相连,反弧段与模型底部相切.整个坝模型高度为1 6.5m,宽度6m.为模拟坝面流场状况,对固体域模型做布尔运算,得到流体域模型(如图1所示).由于模拟计算重点关注溢流面部分,为缩短计算时间,上游来流段长度较短,为1 4.5m;为模拟水气两相流,在设计水头以上取1 0m作为流体域的上边界;下游取长度1 8m的下游段与反弧段末端相接.为方便叙述,将台阶面隅角(及上一级台阶的竖直固壁和下一级台阶的水平固壁组成的转角)由坝顶至反弧段按11 3编号.图1 流体域模型示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f f l u i dd o m a i nm o d e l之后对得到的固体域和流体域模型进行网格划分.就此次模拟计算及研究而言,阶梯面和反弧段附近的流场是重点关注的对象,因此,应将这些区域的网格进行加密.最终流体域部分划分网格1 8 0余万,固体域部分划分网格8 0余万.对于阶梯隅角内的网格划分及模拟计算,需要重点说明的是,由于直角隅角内存在比较尖锐的转角,当网格密度变化时,隅角顶点附近的应力计算结果亦可能存在一定特殊性,这将在之后的计算结果中予以说明.2 原模型流固耦合计算研究2.1 控制方程2.1.1 流体域计算为有效模拟坝体附近流场,引入可用于分层流求解自由液面的流体体积分数模型(简称VO F).该模型假设水和空气服从同一组动量方程,但将它们的体积分数做为单独变量1 2.在每个单元中,若以w表示水的体积分数,则空气的体积分数a表示为a=1-w(1)水气界面的跟踪通过求解连续方程完成:wt+uiwxi=0(2)根据w的值可以计算出自由液面的大致位置.在VO F模型中,由于水和空气具有相同的速度场和压力场,其k-紊流模型和单相流k-模型在形式上完全相同:连续方程:t+uixi=0(3)动量方程:uit+xj(uiuj)=-xj+xi(+t)+uixj+ujxi(4)k方程:(mk)t+(mujk)xj=p-m+xj+ikkxj(5)方程:(m)t+(muj)xj=C1kPt-C2m2k+xj+tkxjt=Cmk2(6)式中:k、分别为湍动能和湍流耗散率;t为湍流粘性系数;Pt为湍动能 生成项.模 型常 数 为:C1=1.4 4,C2=1.9 2,=1.3,k=1.0,C=0.0 9.731第1期 赵廷红等:阶梯式溢流坝台阶面力学性能数值模拟研究及优化 2.2.2 流固耦合计算坝体和坝体附近水体之间的流固耦合涉及的有限元方程为:A U+B U+C P+D U=E+F(7)G U=H(8)M+C+K=P(9)式中:U=u wT,U、P分别表示由全域各节点压力所组成的列矢量.各总系数矩阵由全域各单元相应的系数阵叠加而成,其中A为质量矩阵叠加;B为对流矩阵;C为压力矩阵;D为损耗矩阵;E、F为体积力矩阵;G为连续矩阵;H为边界速度矢量;、分别为加速度、速度、结构应力列向量;M为质量矩阵;K为刚度矩阵;C为阻尼矩阵.2.2.3 计算条件设置假定水气两相流为等温流动,流体不可压缩.考虑泄水时的实际情况,设置如下边界条件和收敛条件:(1)进口边界:进口分为水相和气相两部分,以水面线分开,水面线位置由设计水头计算得到.由于研究对象为坝面上的自由液面,设定进口气相与大气相连为恒压(大气压)边界;为接近实际情况,流体域上边界亦设置为恒压(大气压)边界.上游来流流速为1m/s.(2)出口边界:出口直接与大气相通,出口边界设定为恒压(大气压)边界.(3)管壁边界:为无滑移壁面边界.(4)稳态模拟设置:由于关注的重点是坝体正常工作时的力学性能,而不关注整个泄水过程.加之综合考虑计算占用的资源和收敛难度,决定采用稳态模拟计算.(5)收敛条件设置:对于阶梯式溢流坝泄水过程模拟而言,计算残差的收敛并不是计算结果满足要求的唯一标准.考虑对上文提及的“进口边界”及“出口边界”进行监测,如若二者的流量通量基本相等(或出口流量的值围绕着某个定值进行上下波动),则认为这次计算是收敛的.综合以上考量并结合以往研究经验,本文所涉及的算例在模拟计算时设定进出口的流量的差值与进口流量相比的比值小于0.5%时1 3,即可认为溢流坝泄水过程模拟计算满足了这类问题的收敛条件.2.3 数值模拟计算结