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闸站拦污栅栅条流激振动特性与结构设计优化
摘要：拦污栅是闸站进水口的重要防护措施，在闸站的实际运行过程中栅条受水流的影响易诱发振动。为探究不同截面形式的拦污栅条在闸站实际运行过程中的适用性，采用有限元方法针对实际工程中常用的圆形截面、正方形截面和矩形截面的拦污栅栅条进行刚度校核和流激共振分析，详细对比了不同流速工况下3种截面形式的栅条最大挠度和许可挠度之间的差异，通过研究湿模态下不同截面形式的栅条在前六阶的自振频率，发现矩形截面栅条的拦污栅抗弯承载力优于其他两种截面形式的栅条，更适合于流速较大的大型闸站的实际运行。研究成果可为后续的拦污栅设计及结构优化提供参考。
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在水利工程中，闸站作为一种关键的水工建筑物，广泛应用于平原和其他地势较为平缓的地区，用以调控水流、防洪和供水[1-2]。为了确保闸站的安全和高效运行，进水口处通常设置拦污栅，以拦截可能对闸门和水轮机造成损害的漂浮物和杂物。随着水利工程规模的扩大和运行条件的日益复杂，拦污栅的设计和性能受到了越来越多的关注。
拦污栅的栅条直接承受水流的冲击力和振动。在高流速的条件下，栅条可能会因为水流的动态压力而产生振动，这不仅影响其结构的稳定性，还可能缩短其使用寿命[3-4]。近年来国内外众多学者针对拦污栅进行了大量的研究：高学平等[5-6]采用物理模型试验研究了双向流动条件下拦污栅结构对水电站进出口水力性能的影响，发现有无拦污栅除对紊动强度影响较大，其余并无明显差别。朱洪涛等[7]分析了两种弯道形式的出口拦污栅断面底部流速分布，发现S形弯道对流量均匀性影响较大。郑铁刚等[8]以新疆噶尔河流域库尔干水利枢纽工程为研究对象，采用大比尺物理模型试验探究了拦污栅的断面流速分布，发现进水口结构体型对进水口系统水力性能的影响程度大于叠梁门取水水头的影响。由此，对不同截面形式的栅条进行结构比选和振动特性分析，对于优化拦污栅设计、提高其在实际工程中的适用性和耐久性具有重要意义。
由于现有的规范中仅对拦污栅的设计荷载及强度进行了要求，但并未对拦污栅栅条的结构形式提出进一步的设计要求[9]，本文以某闸站拦污栅为研究对象，选取工程上常用的几种不同形式拦污栅栅条，针对其流激振动特性进行研究，对刚度校核和流激共振展开分析。通过对比揭示不同截面形式栅条在实际运行中的适用性和性能差异，为闸站拦污栅的结构设计及运行优化提供参考。
1、计算模型及数值计算方法
1.1边界条件
拦污栅的栅条设计参照国家标准《水利水电工程钢闸门设计规范》进行设计，采用UG对闸站及拦污栅整体进行1:1建模，利用ICEM CFD对计算域进行非结构化网格划分，网格数量为562万，选取ANSYS Fluent针对闸站上下游连接段及拦污栅段进行三维流场数值计算。图1为拦污栅整体结构三维模型，根据闸门不同的过闸流量在上游入口采用速度入口边界条件，保证来流均匀流入；根据水闸下游设计水位采用压力出口边界条件，静压设置为0，即自由出流条件。基于钢盖假定自由液面边界条件，两侧壁面边界条件设置为对称滑移边界条件。数值计算的收敛精度设置为10-5，待计算完成后，在ANSYS Workbench中将Fluent与Model Acoustics进行数据链接。为便于模拟拦污栅在实际运行过程中的工作状态，将拦污栅整体设置为组合结构体，设置拦污栅栅条的材料属性为Q235-B钢，弹性模量EI=206GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7 850 kg/m3，选取工程上常用的圆形、正方形及矩形3种不同截面形式的栅条进行对比，其中圆形和正方形栅条的直径和边长均为3cm，矩形栅条宽3cm，长15cm，以保持迎水面宽度一致。
图1拦污栅整体结构三维模型
1.2控制方程及湍流模型
拦污栅周围的流场可近似认为是三维不可压缩流动，且不考虑流体间的热量交换，因此流体运动可以通过连续性方程和动量方程进行描述，如式（1)～(2）所示：
式中：ρ为流体介质密度，kg/m3;t为时间，s;u为速度，m/s;x为空间坐标，p为压强，Pa；μ为流体运动粘性系数，S为外部源项，i、j为坐标轴方向。
湍流模型参考文献[10]中的相关设置，采用旋转曲率修正方法针对SST k-ω进行修正，形成了考虑旋转曲率修正的SST-CC湍流模型，本次数值计算采用SST-CC湍流模型对方程进行封闭。
为验证本文数值计算的有效性，定义圆柱栅条的直径为D，定义圆柱栅条后方中心轴线上任意一点与栅条后缘的距离为X，采用圆柱栅条后方中心轴线上速度变化与郭子君[11]和王秋绎[12]等人研究结果进行对比，结果如图2所示，本文中圆柱栅条后方的速度变化趋势与上述文献基本一致，且最大误差不超过10%，基本验证了本文数值计算的有效性。
图2数值计算结果与文献对比
2、拦污栅刚度校核
拦污栅栅条通过焊接连接在上下平行的横梁之间，受横梁的约束，栅条并不能平面运动和旋转运动，其所受的合力主要由压力和粘滞力组成，如式（3)～(4）所示：
式中，F为表面均布荷载，fd为阻力系数。式（4）中，栅条被允许产生的最大形变ω为许可挠度，l为栅条的长度，m。
表1为流速v=1.5 m/s时不同截面形式的拦污栅栅条刚度校核，可知当流速为1.5 m/s时，圆形截面栅条与正方形截面栅条均未超过许可挠度，其中正方形截面栅条的最大挠度数值最高，为2.52；矩形栅条截面的最大挠度相较于其他两种栅条截面最小，为0.59；而圆形截面栅条的最大挠度虽小于正方形截面栅条的最大挠度，但其数值与许可
表1 v=1.5 m/s时不同截面形式栅条刚度校核
挠度仍十分接近。
表2为流速v=3.0 m/s时不同截面形式的拦污栅栅条刚度校核，可知当流速为3.0 m/s时，圆形截面栅条与正方形截面栅条的最大挠度均超过许可挠度，其中正方形截面栅条的最大挠度为14.95；圆形截面栅条的最大挠度为13.52；二者均高于许可挠度，而矩形截面栅条的最大挠度为1.32，在许可挠度之内，表明圆形截面栅条和正方形截面栅条更易受到水流的扰动而产生疲劳破坏发生弯曲，而矩形截面栅条的承载力更好。
表2 v=3.0 m/s时不同截面形式栅条刚度校核
3、拦污栅流激共振分析
由于拦污栅长期在水中工作，因此针对拦污栅的栅条进行模态分析时必须考虑水对栅条模态的影响，即需要考虑其湿模态。计算闸站拦污栅栅条在水中的自振特性时，将拦污栅的所有栅条划分为103.4万个非结构化网格，在ANSYS Workbench中将振动水体的附加质量加载到拦污栅的栅条结构上，采用Model Acoustics模块对拦污栅的栅条进行前六阶湿模态计算，结果如表3所示。
拦污栅栅条的结构振动控制方程如式（5)～(6）所示：
式中，拦污栅栅条的质量矩阵为[M]，阻尼矩阵为[C]，刚度矩阵为[K]，激励载荷向量为[F]，及{u}为单位列向量。
表3为各截面形式的拦污栅栅条在水中的前六阶自振频率，可知各截面形式的栅条前六阶频率中，主频与二阶频率相近，随着频率阶数的增大，其自振频率逐渐增大；其中，正方形截面栅条的主频最大，矩形截面栅条的主频最小，随着频率阶数的增大，矩形截面栅条的六阶频率最大，正方形截面栅条的六阶频率次之，圆形截面栅条的六阶频率最小。
表3不同截面形式栅条自振频率分析
Hz结合前文分析可知，不同流速工况下的圆形和正方形截面栅条的主频频率均高于矩形截面栅条，同时两者的最大挠度与许可挠度相近，表明在闸站正常运行过程中，矩形截面栅条的抗弯承载力优于圆形截面栅条和正方形截面栅条，因此矩形截面栅条更适用于闸站的运行。
4、结论
本文通过刚度校核和流激共振分析探讨了工程中常用的3种截面形式的栅条在闸站拦污栅中的运用，对比分析了各截面形式的栅条刚度在闸站实际运行过程中的适用性，主要得出以下结论：
(1）当流速为1.5 m/s时，3种截面形式的栅条最大挠度均在许可挠度之内，其中正方形截面栅条的最大挠度数值最大，为2.52；当流速为3.0 m/s时，圆形截面栅条和正方形截面栅条的最大挠度超出了许可挠度，而矩形栅条截面的最大挠度仍在许可挠度之内。
(2）各截面形式的拦污栅栅条的主频与二阶频率相接近，其中，正方形截面栅条的主频最大，为151.39 Hz。随着频率阶数的增大，其自振频率亦逐渐增大，矩形截面栅条的六阶频率大于其它两种截面形式栅条。
(3）闸站在运行过程中，随着水流流速的增大，矩形栅条截面的抗弯承载力优于圆形和正方形截面栅条，更易发生疲劳破坏，因此针对流速较低的中小型闸站，以上3种结构形式的拦污栅栅条均适用，而矩形截面栅条更适用于流速较大的闸站。
参考文献:
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[9]朱宸钰,于鑫,王睿智.施桥闸站进水流态数值模拟研究[J].江苏水利,2023(7):40-45.
[11]郭子君.抽水蓄能电站拦污栅条多攻角流激振动分析[D].大连:大连理工大学,2022.
[12]王秋绎.拦污栅栅条流场特征和共振分析[D].大连:大连理工大学,2020.
基金资助:江苏省研究生科研创新计划项目(KYCX24_3755);
文章来源:王猛,韩春辉,姚钰龙,等.闸站拦污栅栅条的流激振动特性与结构设计优化[J].吉林水利,2024,(10):13-16.
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2024-11-14我要评论
期刊名称：水利经济
期刊人气：734
主管单位：国家教育部,国家水利部
主办单位：河海大学,中国水利经济研究会
出版地方：江苏
专业分类：经济
国际刊号：1003-9511
国内刊号：32-1165/F
邮发代号：28-252
创刊时间：1983年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：10-12个月
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2024-10-17
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