CN103485316A - 一种水下在线监测设备防冲刷方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下在线监测设备防冲刷方法及装置，首先基于水力学理论得到水流冲击力跟水流方向与设备阻流面的夹角的关系、阻流面高度和水流速度的关系，从而得到水流冲击力和夹角的对应关系。在现场通过改变水流方向与设备阻流面的夹角，调整水流的冲击力，根据防冲刷方法，设计出能调整水流方向与设备阻流面夹角的防冲刷装置。该防冲刷方法简单易行，防冲刷装置结构简单，操作方便，通过该方法和装置能使水下在线监测设备适应多变的水流环境，提高其抗水流冲击能力。

Description

一种水下在线监测设备防冲刷方法及装置

技术领域

本发明涉及水工设备检测技术，特别是一种水下在线监测设备防冲刷方法及装置。

背景技术

水力发电站的压力钢管、蜗壳、尾水管均埋入岩石混泥土中，通过管内水流冲击水轮机转动发电。压力管道无暴露在外的明管段或者只有很小一段明管段，加之压力管道在建造安装时，并未考虑到在线监测，这给该类管道应力/应变、振动信号的在线监测带来了很大的困难。

在目前的技术条件下，对于无明管段的压力管道，在线监测只能在管道内的水中进行。使用的水下在线监测设备，除了满足在线监测基本性能要求外，需要具有密闭防渗水，抵御一定强度水流冲击的能力。

水下在线监测设备与被监测物连接方式主要有如下几种：粘结、螺栓连接、焊接等，其中主要以后两种连接为主。水流对水下监测设备的冲击力通过连接传递到被监测物上。水流对设备阻流面的冲击力与水流速度二次方、阻流面的高度等成正比，如其他参数不变，水流速度增大一倍，水流冲击力增大三倍。因此，水下监测设备的防水冲击能力是复杂水流环境下水下监测设备的一个重要指标。为保证水下监测设备在复杂水流环境下安全稳定地运行，研发一种方便快捷的防冲刷方法和装置显得十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种水下在线监测设备防冲刷方法及装置，计算出水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力，根据冲击力调节水流方向与水下在线监测设备阻流面的夹角，以减少水流对水下在线监测设备的冲击力；使水下在线监测设备适应多变的水流环境，提高其抗水流冲击能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水下在线监测设备防冲刷方法，该方法为：

1）确定水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力P的计算模型：

$P=k{\mathrm{\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}.\frac{1-\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\α}}={\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$

其中，P的单位为kN/m，k为绕流系数，k的取值范围为0.6～2；γ₀为水的容重；h为水下在线监测设备阻流面最高点距水平面的高度，单位为m；V为水流平均速度，单位为m/s；g为重力加速度；α为水流方向与水下在线监测设备阻流面的夹角；

2）采用有限元分析软件，建立水下在线监测设备有限元模型，并将步骤1）的冲击力P作为荷载加入到有限元模型中，进行有限元分析，得到水下在线监测设备各点应力的最大值σ，若σ≤[σ]，则转入7）；若σ>[σ]，则进入3）；其中，[σ]表示水下在线监测设备材料的许用应力；

3）依据上述步骤2）建立的有限元模型，对水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力进行优化分析，计算水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力Pm，优化模型如下：

$P_m=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max p}=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max }{\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$

s.t.σ≤[σ]，

其中，s.t.表示约束条件；

4）计算水流方向与水下在线监测设备阻流面之间所能允许的最大夹角α_m：

$a_m=2\arctan \left(\frac{P_{m}g}{{\mathrm{k\γ}}_0{\mathrm{hV}}^2}\right);$

5）调节水流方向与水下在线监测设备阻流面的夹角α，使得α≤α_m；

6）将经上述步骤5）调节后的α代入步骤1）的计算模型中，求得水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力P；返回2），直到σ≤[σ]；

7）结束。

本发明中绕流系数k可以取1。

所述步骤3）中，可以采用粒子群优化方法、遗传算法、神经网络方法中的一种计算水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力Pm。

本发明还提供了一种水下在线监测设备防冲刷装置，包括卷帘，所述卷帘一端与水下在线监测设备顶端固定连接，所述卷帘另一端通过卷帘管与可在水平面上伸缩的可伸缩钢管一端连接；所述可伸缩钢管另一端与所述水下在线监测设备顶端固定连接；所述可伸缩钢管上固定有靠近所述水下在线监测设备的用于防止所述可伸缩钢管进一步缩短的限位装置；当所述可伸缩钢管缩短到所述限位装置的位置时，所述卷帘与水平面之间的最大夹角

其中，P_m为水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力，单位为kN/m，k为绕流系数；γ0为水的容重；h为水下在线监测设备阻流面高度，单位为m；V为水流平均速度，单位为m/s；g为重力加速度。

限位装置可以使用螺栓，结构简单。

卷帘采用碳纤维复合材料布制成，重量轻；并且卷帘上表面和下表面均涂有防水防渗漏层，可以增加卷帘的抗流水冲击能力。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：通过本发明的方法，可以快速计算出水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力，分析该冲击力下水下在线监测设备最大应力与许用应力之间的关系，从而调节水流方向与阻流面的夹角，减少水流对水下设备的冲击力；本发明的装置结构简单，调整可伸缩钢管的长度，固定紧固螺栓，可以实现对水流方向与设备阻流面（即卷帘上表面）之间夹角的控制，减少水流对水下在线监测设备的冲击力；本法的防冲刷方法简单易行，操作方便；防冲刷装置结构简单，易操作，通过该方法和装置能使水下在线监测设备适应多变的水流环境，提高其抗水流冲击能力。

附图说明

图1为本发明一实施例防冲刷装置结构示意图；

图2为本发明一实施例水流方向与阻流面的夹角α关系曲线图。

具体实施方式

现以水电站压力管道管内在线监测设备（尺寸为0.2×0.2×0.2，以下简称设备）为例，说明本发明防冲刷方法：

步骤1、通过资料查询、现场实测，确定待监测部位的最大水流平均速度为10m/s，依据如下公式计算水流冲击力为20kN/m。

$p=k{\mathrm{\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}.\frac{1-\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\α}}={\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}---\left(1\right)$

式中：P——水流对设备阻流面的冲击力（kN/m）；k——绕流系数，取1；γ₀——水的容重（9.8kN/m³）；h——设备阻流面高度（m）；V——水流平均速度（m/s）；g——重力加速度（9.8m/s²）；α——水流方向与设备阻流面的夹角；其中水流平均速度V是指在线监测设备同一监测点在不同时间段流经的水流的最大水流平均速度；

步骤2、采用通用有限元分析软件（如ANSYS、ABAQUS、ADINA、MSC、LUSAS、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics等），建立水下监测设备有限元模型，将步骤1所得的水流冲击力作为荷载加入到有限元模型中，并进行有限元分析，得到设备的最大应力（即设备各点应力的最大值）为58MPa，大于水下监测设备的许用应力50MPa，因此需要对减少水流对设备的冲击力；

步骤3、依据建立的有限元模型，对设备所能承受的最大水流冲击力进行优化分析，依据下列优化模型，利用粒子群优化方法确定设备所能承受的最大水流冲击力16kN/m；

$P_m=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max p}=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max }{\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$

s.t.σ≤[σ]；

步骤4、计算水流方向与设备阻流面的最大夹角为77.32°，调整水流方向与设备阻流面的夹角α，使α≤77.32°；

步骤5、根据调整后的角度和水流冲击力，采用有限元软件，建立水下监测设备有限元模型，经有限元分析得到设备的最大应力状态为40MPa，此时最大应力小于许用应力，表示设备材料强度满足运行要求。

本实施例中水流方向与阻流面的夹角α关系曲线见图2。

如图1所示，本发明一实施例的防冲刷装置包括卷帘2，所述卷帘2一端与水电站压力管道管内在线监测设备1顶端固定连接，所述卷帘2另一端通过卷帘管3与可在水平面上伸缩的可伸缩钢管4一端连接；所述可伸缩钢管4另一端与所述水电站压力管道管内在线监测设备1顶端固定连接；所述可伸缩钢管4上固定有靠近所述水电站压力管道管内在线监测设备1的用于防止所述可伸缩钢管4进一步缩短的螺栓5。

根据本实施例中步骤4计算的结果，可以确定本实施例防冲刷装置可伸缩钢管的最小长度应为4.5mm。通过调节可伸缩钢管的长度，使其最小伸长长度为4.5mm，并紧固螺栓即可。

Claims (7)

1.一种水下在线监测设备防冲刷方法，其特征在于，该方法为：

1）确定水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力P的计算模型：

$P=k{\mathrm{\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}.\frac{1-\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\α}}={\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$

其中，P的单位为kN/m，k为绕流系数，k的取值范围为0.6～2；γ₀为水的容重；h为水下在线监测设备阻流面最高点距水平面的高度，单位为m；V为水流平均速度，单位为m/s；g为重力加速度；α为水流方向与水下在线监测设备阻流面的夹角；

2）采用有限元分析软件，建立水下在线监测设备有限元模型，并将步骤1）的冲击力P作为荷载加入到有限元模型中，进行有限元分析，得到水下在线监测设备各点应力的最大值σ，若σ≤[σ]，则转入步骤7）；若σ>[σ]，则进入步骤3）；其中，[σ]表示水下在线监测设备材料的许用应力；

3）依据上述步骤2）建立的有限元模型，对水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力进行优化分析，计算水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力Pm，优化模型如下：

$P_m=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max p}=\underset{v,\mathrm{\α}}{\max }{\mathrm{k\γ}}_{0}h\frac{V^2}{g}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$

s.t.σ≤[σ]，

其中，s.t.表示约束条件；

4）计算水流方向与水下在线监测设备阻流面之间所能允许的最大夹角α_m：

$a_m=2\arctan \left(\frac{P_{m}g}{{\mathrm{k\γ}}_0{\mathrm{hV}}^2}\right);$

5）调节水流方向与水下在线监测设备阻流面的夹角α，使得α≤α_m；

6）将经上述步骤5）调节后的α代入步骤1）的计算模型中，求得水流对水下在线监测设备阻流面的冲击力P；返回步骤2），直到σ≤[σ]；

7）结束。

2.根据权利要求1所述的水下在线监测设备防冲刷方法，其特征在于，所述步骤1）中，绕流系数k为1。

3.根据权利要求1或2所述的水下在线监测设备防冲刷方法，其特征在于，所述步骤3）中，采用粒子群优化方法、遗传算法、神经网络方法中的一种计算水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力P_m。

4.一种水下在线监测设备防冲刷装置，其特征在于，包括卷帘（2），所述卷帘（2）一端与水下在线监测设备顶端固定连接，所述卷帘（2）另一端通过卷帘管（3）与可在水平面上伸缩的可伸缩钢管（4）一端连接；所述可伸缩钢管（4）另一端与所述水下在线监测设备顶端固定连接；所述可伸缩钢管（4）上固定有靠近所述水下在线监测设备的用于防止所述可伸缩钢管（4）进一步缩短的限位装置；当所述可伸缩钢管（4）缩短到所述限位装置的位置时，所述卷帘（2）与水平面之间的最大夹角

其中，Pm为水下在线监测设备所能承受的最大水流冲击力，单位为kN/m，k为绕流系数；γ0为水的容重；h为水下在线监测设备阻流面高度，单位为m；V为水流平均速度，单位为m/s；g为重力加速度。

5.根据权利要求4所述的水下在线监测设备防冲刷装置，其特征在于，所述限位装置为螺栓（5）。

6.根据权利要求4或5所述的水下在线监测设备防冲刷装置，其特征在于，所述卷帘（2）采用碳纤维复合材料布制成。

7.根据权利要求6所述的水下在线监测设备防冲刷装置，其特征在于，所述卷帘（2）上表面和下表面均涂有防水防渗漏层。

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