CN117556743B - 一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法，包括获取拦污漂群初始状态数据况,所述拦污漂群初始状态数据况包括拦污漂水位、流速矢量场，流速场脉动量百分比和脉动频率；根据拦污漂群初始状态数据况，构建理想状态下的拦污漂动力学计算模型；根据拦污漂动力学计算模型采用试错法迭代求解输出绳索张力计算结果。本方法考虑水流流速场不均匀和紊流脉动流速的影响,通过计算非平衡状态下相邻浮筒相向或向背运动产生的动态张力，在水流复杂区域和水流流速大的区域中，能准确计算主绳的动态过程中的最大荷载，提供设计的安全性和可靠性。

Description

一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法

技术领域

本发明涉及一种张力计算技术，尤其涉及一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法。

背景技术

在水电站运行过程中，拦污漂水设施的设计与计算是保证水电站正常运行的重要环节。水电站进水口通常布置单层拦污栅或双层拦污栅拦截库区漂浮污物，拦污漂由若干浮箱（筒）、拉杆沿轴线铰接相连，形成柔系结构体系，每个浮箱上固定一块拦污栅叶，主要作用是阻拦库区上游来流的飘浮物并有部分破浪的作用，拦污漂两端约束在支墩垂直导槽内，随上游库水位变化使全部浮箱自适应升降。但由于漂浮污物量大，经常堵塞拦污栅，严重时危及机组运行安全。

现有技术中，拦污漂由若干浮箱拉杆铰结相连成链状，属柔性结构体系，它在坝前水域受到复杂水流、风、波浪和漂浮物共同作用，将产生不同的张拉形状，导致不同的张力，导致电站拦截漂浮物的拦污漂受力非常复杂，同时受到浮力、流速冲击力、波浪冲击力、重力等作用，造成动力学过程复杂，计算困难。

然而，现有的拦污漂水设施设计多依赖于经验或简化模型，无法精确计算出绳索张力等关键参数，导致设施稳定性不足、水流控制不精确等问题。因此，急需一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法，因此需要一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决拦污漂主绳受力的计算问题，提出了基于动力学过程和微积分原理计算复杂水流条件下的拦污漂主绳动态张力的方法，解决现有技术无法考虑紊流脉动流速、不均匀流速、动态扭力等因素，为电站拦污漂动态受力计算提供基本理论和方法，提供了设计阶段力学计算精度，而提供的一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明包括获取拦污漂群初始状态数据况,所述拦污漂群初始状态数据况包括拦污漂水位、流速矢量场，流速场脉动量百分比和脉动频率；

根据拦污漂群初始状态数据况，构建理想状态下的拦污漂动力学计算模型；

根据拦污漂动力学计算模型采用试错法迭代求解输出绳索张力计算结果。

进一步地，所述拦污漂动力学计算模型的构建方法包括以下步骤：

（1）建立模型坐标系统，以漂段左侧固定墩主绳左侧起点为x起点，向另一个固定墩方向为正，根据右手螺旋法则，水平垂直于x的方向为y轴，竖直向上为z坐标，z坐标起点为高程基面；

（2）设置模型的初始条件为拦污漂初始位置为流速为0时自由下垂位置；

（3）建立单节漂的多个受力平衡方程，包括重力，浮力， 水流冲击力 以及牵引力受力平衡方程，

其中水流冲击力受力平衡方程的计算公式如下：

（3）

式中：为水流流速/>与浮筒的相对速度，/>，单位m/s；/>为浮筒在水流相对速度/>上的投影面积，单位m²；/>为水体密度，单位kg/m³。

（4）确定所述拦污漂动力学计算模型的约束条件，所述约束条件包括位置约束和受力约束，计算公式如下：

其中位置约束的公式为：

（4）

式中：为绳子左端位置；z0为绳子左端点高程，单位m；N为绳子分段数，一般一个浮筒一段；/>、/>、/>分别为为第i段绳子左侧节点位置，单位m；/>、/>、/>分别为为第i+1段绳子左侧点位置，单位m；/>为绳子右端位置；/>为绳子系缆墩距离，单位m。

其中位置约束的公式为：

（5）

式中：为第i段绳子左侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i-1段绳子右侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i段绳子右侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i+1段绳子左侧节点的张力矢量，单位N。

进一步地，所述拦污漂动力学计算模型求解过程如下：

（1）计算N时刻所有浮筒受力，并计算加速度；

（2）根据加速度计算下一个时刻N+1时新的位置；

（3）根据位置约束条件计算新的位置是否符合位置约束条件，如果不符合，则需要从两端向中间计算主绳牵引力；当两个相邻浮筒距离超过原始距离时，根据长度计算牵引力，当小于原始距离时，牵引力为0，然后重新计算；直到所有的位置约束条件误差小于eps设定值结束迭代；

（4）判断是否有浮筒进出水体，并记录浮筒进出水体的次数；

（5）所述拦污漂动力学计算模型输出时刻，主绳位置过程和每段拉力大小，每节浮筒出入水次数的数据。

进一步地，所述拦污漂动力学计算模型的理想条件为：

（1）由于拦污网为柔性，水流冲击力相对于作用于浮筒的力而言是小量，需要忽略水流对拦污网的冲击力，并将配重重量计入浮筒计算。

（2）拦污漂沿主绳方向质量均匀；

（3）拦污漂浮力计算假定浮筒在任何位置处于水平状态，浮力按照两个圆柱计算；

（4）所有作用力作用于浮筒重心点；

（5）流速场脉动流速大小随机，最大脉动量与流速大小成正比，脉动量分布呈正态分布；

（6）主绳松弛状态时绳索无应力，处于自由运动状态，当处于绷紧状态时，主绳受弹性力约束，相邻两节浮筒受到的主绳牵引力相等，方向相反。

本发明的有益效果是：

本方法考虑水流流速场不均匀和紊流脉动流速的影响,通过计算非平衡状态下相邻浮筒相向或向背运动产生的动态张力，在水流复杂区域和水流流速大的区域中，能准确计算主绳的动态过程中的最大荷载，提供设计的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法示意图；

图2是本发明的单节漂体受力分析过程示意图；

图3是本发明的浮筒浮力计算示意图；

图4是本发明的拦污漂动力学模型流程示意图；

图5是本发明的拦污漂自由悬挂张力曲线验证示意图；

图6是本发明的拦污漂水平漂移曲线示意图；

图7是本发明的拦污漂水平漂移平衡曲线位置验证示意图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本实施例子中为了便于计算，所述拦污漂动力学计算模型的理想条件为：

（1）由于拦污网为柔性，水流冲击力相对于作用于浮筒的力而言是小量，需要忽略水流对拦污网的冲击力，并将配重重量计入浮筒计算。

（2）拦污漂沿主绳方向质量均匀；

（3）拦污漂浮力计算假定浮筒在任何位置处于水平状态，浮力按照两个圆柱计算；

（4）所有作用力作用于浮筒重心点；

（5）流速场脉动流速大小随机，最大脉动量与流速大小成正比，脉动量分布呈正态分布；

（6）主绳松弛状态时绳索无应力，处于自由运动状态，当处于绷紧状态时，主绳受弹性力约束，相邻两节浮筒受到的主绳牵引力相等，方向相反；

计算模型的建立

模型的基本输入条件包括：（1）水位，流速矢量场（由CFD模型提供），流速场脉动量百分比，脉动频率；（2）模型计算参数：时间步长，一般为脉动周期的1/4；（3）模型输出主绳位置的时间步长；

模型输出：（1）主绳位置过程和每段拉力大小；（2）每节浮筒出入水次数；

模型的建立过程如下：

（1）建立模型坐标系统

建立如图1所示的坐标系统，以漂段左侧固定墩主绳左侧起点为x起点，向另一个固定墩方向为正，根据右手螺旋法则，水平垂直于x的方向为y轴，竖直向上为z坐标，z坐标起点为高程基面；

（2）模型的初始条件

拦污漂初始位置为流速为0时自由下垂位置；

（3）建立单节漂的受力平衡方程

（4）根据以上假定，对单节浮筒建模，受力分析如图 2所示；任意位置的单节漂的受力如下：重力，浮力， 水流冲击力 以及牵引力

重力：：

（1）

浮力：

（2）

式中：为单个浮筒长度；R为单个浮筒半径，每节2个浮筒，/>为单个浮筒吃水深部分对应的弧度；/>为高程基面和水位；/>为密度 />为重力加速度。

如图3所示，

，

式中：h为吃水深，d为浮筒直径，a为淹没度，B表示淹没水线宽。

水流冲击力：

（3）

式中：为水流流速/>与浮筒的相对速度，/>；/>为浮筒在水流相对速度/>上的投影面积；该计算公式比较困难，实际编程时采用浮筒侧面冲击力和浮筒顶面冲击的合力计算；

左侧牵引力和右侧牵引力Fr当绳索松弛时，松弛端的牵引力为0；当绳索绷紧时，牵引力受位置约束条件外，大小为绳子弹性力；

（4）建立模型约束条件

由于单节浮筒并非处于静力平衡状态，且有时处于主绳松弛状态，系统没有平衡力封闭；故宜建立约束模型，通过非线性迭代求解；

约束条件：

位置约束：

（4）

式中：为绳子左端位置；z0为绳子左端点高程，单位m；N为绳子分段数，一般一个浮筒一段；/>、/>、/>分别为为第i段绳子左侧节点位置，单位m；/>、/>、/>分别为为第i+1段绳子左侧点位置，单位m；/>为绳子右端位置；/>为绳子系缆墩距离，单位m。

受力约束：

（5）

式中：为第i段绳子左侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i-1段绳子右侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i段绳子右侧节点的张力矢量，单位N；/>为第i+1段绳子左侧节点的张力矢量，单位N。

计算模型的求解方法中由于模型模拟的受力系统为典型的非强制约束过程，故应采用试错法迭代求解；具体求解过程如下：

（1）计算N时刻所有浮筒受力，并计算加速度；

（2）根据加速度计算下一个时刻N+1时新的位置；

（3）根据位置约束条件计算新的位置是否符合位置约束条件，如果不符合，则需要从两端向中间计算主绳牵引力；当两个相邻浮筒距离超过原始距离时，根据长度计算弹性力，即牵引力，当小于原始距离时，牵引力为0，然后重新计算；直到所有的位置约束条件误差小于eps设定值结束迭代；

（4）判断是否有浮筒进出水体（浮力有大于0减小到0为出水，浮力有0增加到整数为进水），并计数；

（5）判断是否需要输出，如果需要输出，输出①时刻②主绳位置过程和每段拉力大小③每节浮筒出入水次数。

计算程序拦污漂动力学模型程序框图如图4所示；模型的验证中，模型采用动态过程模拟平衡态静力计算验证的方法进行验证；（1）计算自由下落无水条件，验证自由悬挂主绳张力曲线；（2）计算垂直于主轴的水平均匀流速1.0m/s的流场中，验证拦污漂自由漂移形成的主绳张力曲线；计算结果分别如图5和图6、图7所示；计算结果与静力理论分析所得的曲线位置吻合非常好，表明计算模型是可靠的。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法，其特征在于：

获取拦污漂群初始状态数据情况,所述拦污漂群初始状态数据情况包括拦污漂水位、流速矢量场，流速场脉动量百分比和脉动频率；

根据拦污漂群初始状态数据情况，构建理想状态下的拦污漂动力学计算模型；

根据拦污漂动力学计算模型采用试错法迭代求解输出绳索张力计算结果；

所述拦污漂动力学计算模型的构建方法包括以下步骤：

（1）建立模型坐标系统，以漂段左侧固定墩主绳左侧起点为x起点，向另一个固定墩方向为正，根据右手螺旋法则，水平垂直于x的方向为y轴，竖直向上为z坐标，z坐标起点为高程基面；

（2）设置模型的初始条件为拦污漂初始位置为流速为0时自由下垂位置；

（3）建立单节漂的多个受力平衡方程，包括重力，浮力，水流冲击力以及牵引力的受力平衡方程，

其中水流冲击力受力平衡方程的计算公式如下：

（3）

式中：为水流流速/>与浮筒的相对速度，/>；/>为浮筒在水流相对速度/>上的投影面积；

（4）确定所述拦污漂动力学计算模型的约束条件，所述约束条件包括位置约束和受力约束，计算公式如下：

其中位置约束的公式为：

（4）

其中位置约束的公式为：

（5）

所述拦污漂动力学计算模型求解过程如下：

（1）计算N时刻所有浮筒受力，并计算加速度；

（2）根据加速度计算下一个时刻N+1时新的位置；

（3）根据位置约束条件计算新的位置是否符合位置约束条件，如果不符合，则需要从两端向中间计算主绳牵引力；当两个相邻浮筒距离超过原始距离时，根据长度计算牵引力，当小于原始距离时，牵引力为0，然后重新计算；直到所有的位置约束条件误差小于eps设定值结束迭代；

（4）判断是否有浮筒进出水体，并记录浮筒进出水体的次数；

（5）所述拦污漂动力学计算模型输出时刻，主绳位置过程和每段拉力大小，每节浮筒出入水次数的数据。

2.根据权利要求1所述的水电站拦污漂水流动力学绳索张力计算方法，其特征在于：所述拦污漂动力学计算模型的理想条件为：

（1）由于拦污网为柔性，水流冲击力相对于作用于浮筒的力而言是小量，需要忽略水流对拦污网的冲击力，并将配重重量计入浮筒计算；

（2）拦污漂沿主绳方向质量均匀；

（3）拦污漂浮力计算假定浮筒在任何位置处于水平状态，浮力按照两个圆柱计算；

（4）所有作用力作用于浮筒重心点；

（5）流速场脉动流速大小随机，最大脉动量与流速大小成正比，脉动量分布呈正态分布；

（6）主绳松弛状态时绳索无应力，处于自由运动状态，当处于绷紧状态时，主绳受弹性力约束，相邻两节浮筒受到的主绳牵引力相等，方向相反。