1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)云南省交通厅科技开发项目(云交科()云南省交通运输厅科技计划项目(云交科教编 号)通信作者:李睿教授:.引用格式:谢小雨李睿崔又文等.基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架组合结构动力响应分析.应用力学学报():.():.基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架组合结构动力响应分析谢小雨李睿崔又文李晓章罗仕庭(.昆明理工大学建筑工程学院 昆明.云南省昭通市昭阳区水务局 昭通.中国电建集团昆明勘测设计院有限公司 昆明)摘 要:在大跨度倒虹吸管道中有压闸阀关闭时通常伴随
2、着水击现象当水击发生时流体与固体的耦合作用同时存在 为研究发生水击时不同关阀时间下的压力波与考虑耦合作用时结构的动力响应情况以大跨度倒虹吸管道与拱式桥架结构为研究对象进行整体水力计算基于流固耦合分析理论将整体水力模型计算得到的水击压力波作为流体部分加载条件在 平台上进行双向流固耦合分析求解桥架结构的位移、内力及应力动力响应结果 结果表明:不同关阀时间工况下水击压力波曲线的变化趋势大致相同结构各监测点的位移时程曲线同水击压力波曲线规律基本吻合阀门匀速关闭时增加闸阀的关闭时间可以作为降低倒虹吸管道水击压强的有效措施水击力对桥架管道的影响最大盖梁次之拱圈最小结构以发生顺桥向动力响应为主关键词:大跨度
3、倒虹吸闸阀双向流固耦合水击压力波动力响应分析中图分类号:.文献标志码:./.(.):.第 期谢小雨等:基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架组合结构动力响应分析 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:水击作为压力管道内动水压力变化最有代表性的现象是以一种压力波的形式沿着管壁传播 倒虹吸拱式桥架上部倒虹吸压力管道可能会由于出口处阀门的突然关闭导致之前仍然处于流动状态的阀门上游处水体突然被迫停止此时从惯性流动状态突然停止的水体中蕴含的巨大能量急需耗散因此在水体中会产生较高的压强(可达管道正常工作压力的几十倍不止)同时由于水体的可压缩性又会产生沿着管路系统来回传导的压力波管道系统内的
4、压力容易发生反复急剧的变化往往会引起管道系统的强烈振动引发管道失效严重时甚至会引发工程事故因此对阀门关闭过程中产生的水击现象的研究显得十分重要水击的常用计算方法有特征线法有限元法、有限差分法对于有压管道水击作用的计算和 在 年提出了具有开创性的特征线法目前为止特征线法依然是管道水击计算的主要理论方法但特征线法是一维计算方法并未考虑管道的空间效应 近年来随着计算流体力学理论()不断发展与计算机性能的不断突破已有学者将 技术运用于大型流体有限元数值仿真分析中发现数值模拟结果更接近实际 华晔和 等分别利用 与 软件对管道中的阀门关闭进行了动态模拟发现 技术可以成功地用于水击现象的建模 李佳等使用滑移
5、网格技术与自定义函数()功能分别对长直管道下的球阀、蝶阀和闸阀 种阀门的水击压强变化规律进行了模拟研究但倒虹吸管道不同于长直管道许文奇等通过建模分析研究不同关阀规律对球阀流场和水击压强的影响并未针对闸阀进行详细研究固体结构在流场作用下会发生变形或运动这种变形或运动反过来也会对流场产生影响导致流场发生改变而流场的改变又反过来改变作用在固体结构上的流体荷载的大小和分布从而形成流体与固体结构的相互作用、相互影响即流固耦合作用()这种流固耦合作用几乎涉及所有的工业行业在输水管道中尤为明显 谭颖使用 软件对水电站压力管道的水击进行了双向流固耦合模拟发现固体域参数对水击压强的影响不可忽视 于腾等在 平台上
6、对某倒虹吸工程底部明钢管段进行双向流固耦合求解结果符合实际并达到工程精度要求 可见有压输流管道的流固耦合问题已有学者进行了相关研究并取得了一定进展但研究对象并未涉及倒虹吸桥架结构 而对于倒虹吸结构的动力响应方面研究的相关报道较少陈丹、王慧、冯光伟、张炜超等针对倒虹吸在地震作用下的结构动力响应做了相关研究研究内容并未涉及发生水击时的考虑流固耦合时的结构动力响应为详细研究大跨度倒虹吸长直管道闸阀考虑流固耦合作用时关阀下的水击现象本研究借助有限元软件针对大跨度倒虹吸管道的闸阀关阀时产生的水击现象展开仿真计算获取不同关阀时间的水击压力波的特性以及结构的动力响应 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.
7、微信公众号:应用力学学报 基本原理.倒虹吸水力计算算法在进行倒虹吸水力计算时一般选用 模型作为管内水体流动的湍流模型 其中 表示湍动能 表示湍流耗散率 湍流模型可靠性高、收敛性好、内存需求低、应用面广适用于无分离、可压缩以及不可压缩等流动问题本研究使用的标准 方程如下连续方程/()动量方程 ()湍动能方程(方程)()()()湍动能耗散率方程(方程)()()()()()式中:、为常系数 和 分别为 和 对应的普朗特数均为常系数 为经验常数 本研究倒虹吸模型参数取值如表 所示表 方程模型中的常数取值.流固耦合算法基本原理流固耦合问题可由其耦合方程来定义这组方程既包含流体域又包含固体域 流体动力学在
8、满足质量、能量、动量 个基本守恒定律的前提下派生出 个基本方程分别为质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程可以用如下通式表示即()()()()式中:为质量密度 为通用变量可以表示速度矢量 在 、和 方向的分量(、)、温度 等变量 为广义扩散系数 为广义源项 表示梯度 表示散度且()/()固体部分可由牛顿第二定律导出即 ()式中:为固体密度 为体积力矢量 为柯西应力张量 为当地加速度矢量流固耦合必须满足守恒的基本原则表现在耦合界面处流体域与固体域的位移 、应力 、温度、热流量 等变量也应相等或守恒即 ()式中:式左表示流体域用下标 表示式右表示固体域用下标 表示式()式()构成了流固耦合分析的
9、基本控制方程联立以上方程组并根据耦合实际情况给定边界条件和初始参数就可以得到流固耦合分析的各项参数解流固耦合的解法有两种:直接耦合解法和分离解法 分离解法按设定顺序依次求解固体或流体的控制方程通过流固交界面把固体域和流体域的计算结果相互交换传递每一步达到收敛后再进行下一步求解直到求得最终稳定的结果 分离解法可稍作修改直接利用已有的 软件可用于求解实际复杂的流固耦合分析模型因此本研究选择分离解法求解 工程建模.背景工程小鱼坝倒虹吸位于滇中引水工程昆明段其总体布置图如图 所示上接蔡家村隧洞下接松林隧洞采用拱桥式倒虹吸跨越螳螂川 小鱼坝倒虹吸第 期谢小雨等:基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱
10、式桥架组合结构动力响应分析 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报水平长.实长.输水钢管采用 根内径.的 压力钢管钢管壁厚为 最大静水头约.倒虹吸设计流量为 管总和/.模型建立.倒虹吸整体水力模型建立本研究采用 建立倒虹吸整体水力模型根据 根倒虹吸管几乎一致与倒虹吸结构对称的特性选取中间管道并将直径.倒虹吸管道流体取中间面作为对称面进行简化建模为/管进行分析根据进口上游明渠底宽.水深.设计单管流量./得到稳态入口边界流速为/./(为设计单管流量 为明渠截面积)倒虹吸管壁均设置为壁面壁面设置为无滑移边界将倒虹吸管壁粗糙高度设置为.出口采用自由出流 条件使用稳态压力分离式求解器二阶离散格式 算法为
11、保证计算结果收敛性好将收敛残差标准均置设为 设置完毕最 后 初 始 化 并 进 行 计 算 计 算 模 型 如 图 所示图 计算模型.网格划分采用 软件对/管倒虹吸流体结构进行网格划分 为了提高计算精度倒虹吸管内水体几何模型均采用六面体网格结构性网格并在阀门处、管道连接处等主要研究部位进行网格加密得到倒虹吸整体计算域网格数量为 部分网格划分结果如图 所示图 网格划分.瞬态计算中阀门开合过程的模拟与设置阀门关闭方式有变速关阀以及匀速关阀等多种方式采用合适的变速关阀方法可以有效降低水击的最大压强值 为研究水击压强与阀门不同关闭时间之间的关系考虑阀门关闭为匀速关闭时的不利工况设置关阀工况为、下匀速关
12、阀本研究所分析的倒虹吸结构出口调节阀为闸阀阀门匀速开闭运动由 和 动网格技术同时实现通过自定义函数()编写闸阀高度随时间变化的函数来控制阀门网格的运动实现阀门从全开至关闭过程的模拟 水击压力计算一般需考虑流体的压缩性因此此时边界条件改选择为压力边界条件.流固耦合分析模型建立对于底部管段桥架结构的流固耦合动力响应分析研究表明有压输水管道水击振动在双向流固耦合方法下计算的结果较为精确 本研究倒虹吸整体空间尺寸极大且布置形式复杂耦合计算时域长进行整体计算的可行性小、收敛性差且桥架所在的倒虹吸底部管段其两端就有限制管道位移的镇墩故本研究根据倒虹吸的结构特性以及探究桥架结构动力特性为主要研究目的选取桥架
13、结构所在的底部管段只考虑水击波传至此处时底部管道、桥架和管内流体的耦合作用本研究采用线弹性本构模型进行建模固体部分模型的材料属性均按照实际工程中的材料属性设置桥架结构材料均采用 混凝土支承环、倒虹吸钢管采用 钢材 模型中管道、支承环、桥架结构均采用 实体单元网格共计 个单元 网格均为六面体结构性网格划分 模型的边界条件按照工程实际情况进行设置:桥架结构的排架底部、拱脚采用固结方式约束所有方向的自由度倒虹吸管道在水流入口侧和出口侧均设置有轴向刚度./的伸缩节因此在此处释放管道顺桥向的平动自由度以弹簧刚度模拟伸缩节倒虹吸管道与支承环之间采用 的接触方式对于支座刚度均采用刚性连接管内水体建模采用的是
14、 单元 是 中的流体声学单元主要用于模拟流体介质及流(声)固耦合问题在 中将管内水体定义为声学区域其就会自动转化为 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 单元 在输入管内水体的材料属性时需要输入流体的材料密度(密度取为 /)及流体声速(取为 /)流体黏性产生的损耗效应忽略不计(黏度 取)流体域计算模型的最终网格总数为 个 本研究的流固耦合湿模态采用声固耦合法计算图 有限元模型.为提高计算的收敛性及准确性将最大流速稳态运营时的水体计算结果即稳态运营时的流动状态的水击波施加到水体的入口、出口处并在 中激活管壁动网格 将管道内壁设置为流固耦合交界面()最后使用软件自带的
15、数据交换平台将水体与桥架结构连接 中双向流固耦合设置如图 所示图 双向流固耦合设置图.结果分析.水击压强计算结果为了获取下文流固耦合计算所需的管道内压力波动在倒虹吸计算域设置了 个监测点 监测点布置如图 所示图 监测点布置图.经计算 倒虹吸模型出入口过流能力均为./而最大设计流量为./计算结果与设计流量差为.因此计算精度基本满足要求模型符合实际流动规律提取倒虹吸水体监测点 的压强时间曲线如图 所示将不同关阀时间下的桥架出口监测点 的压力时间曲线在阀门完全关闭的瞬间时刻对齐得到图 所示的各曲线相位对比图图 关阀压强时间图.图 关阀压强时间图.第 期谢小雨等:基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波
16、与拱式桥架组合结构动力响应分析 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 关阀压强时间图.图 关阀压强时间图.图 关阀压强时间图.由图 可得到如下结果)不同关阀时间下不同监测点得到的压强时间曲线都有相同的变化趋势即随着阀门开度的减小水击压强逐渐升高阀门开度减小为 时水击压强达到峰值再逐渐振荡至归 且任意关阀时间下各监测点压强峰值变化规律基本一致 说明同一倒虹吸结构的计算结果具有普遍性能够反映客观规律)在阀门完全关闭前各监测点的水击压强峰值随着关阀时间增长而减小呈负相关如监测点 在 关阀时的压强值为.关阀时 的压强值则为.时间增加了.倍而水击压强减小了.倍因此通过增加倒虹吸管道阀门的关闭时间可以
17、有效地降低水击压强这与谭颖许文奇等的研究结论一致从侧面验证了本研究结果的合理性)观察图 可得:对比发现不同关阀时间下曲线相位并不完全一致随着关阀时间的增加管内水体的水击能量随之减小水击压力波曲线的振荡周期缩短能量耗散速率也随着加快图 不同关阀工况下的相位对比图.水击作用下桥架结构的流固耦合动力响应分析 管内水体在水击作用下产生剧烈的压力波动压力波动传播至桥架处便会导致管道振动再由此导致桥架也产生振动 由于倒虹吸桥架结构主体为拱桥两侧为排架动力响应分析时应取倒虹吸管道、两侧边墩盖梁、主拱圈拱脚、/跨、拱顶等部位的关键节点进行分析其中 为拱圈监测点 为排架盖梁监测点 为管道监测点 为排架结构本研究
18、的动力响应均不考虑静力效应均使用水击荷载下的相对值来描述为方便描述结构的动力响应选取对比分析使用的监测点的布置如图 所示由前述分析可知任意关阀时间工况下水击压力波曲线都表现出了大致相同的变化趋势 因此限于篇幅本研究选取 水击波对中间管道单独运营关阀的工况进行流固耦合分析得到结构在水击下的动力行为特性 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 监测点布置图.整体结果管道 和 桥 架 的 位 移 云 图 和 应 力 云 图 如 图 所示水击压强达到最大值时倒虹吸管道最大位移为.最大等效应力为.最大值所在部位位置均为中间管道出口端桥架结构随着管道一起往跨中挤压最大位移为.最
19、大拉应力为.最大压应力为.最大值位置均为 盖梁跨中说明 盖梁动力响应最大图 水击压强达到最大值时结构的位移云图和应力云图.位移结果图 为结构入口侧和出口侧的部分监测点时程曲线可明确说明此时结构的动力行为特征由图 可得到如下结果)图()()分别为倒虹吸管道、排架盖梁和桥架主拱圈入口侧和出口侧监测点的位移时程图 可以看出各监测点的位移时程曲线波形和水击波形一致各监测点入口端和出口端的顺桥向位移方向相反而横桥向、竖向的位移方向则相同 再结合图 可以看出:在水击力作用下.时刻水击波压强达到最大正压这时倒虹吸中间管道带动着桥架一起从两端往跨中纵向挤压结构位移达到最大然后水压开始逐渐减小在.达到最大负压管
20、道带动着桥架向两端纵向拉伸 说明水击力作用在倒虹吸桥架上时首先对管道产生作用随着水体压强的变化管道在纵桥向、横桥向以及竖向来回振荡带动着桥架一起来回振荡并随着时间增加水击波能量衰减结构振幅也逐渐减小第 期谢小雨等:基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架组合结构动力响应分析 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 结构入口侧和出口侧的部分监测点时程曲线.)根据时程图可以看出:倒虹吸桥架发生水击时各监测点的顺桥向位移响应最大竖向次之横桥向位移响应最小说明水击作用下结构以顺桥向位移为主出口端位移响应值大于入口端且位移响应绝对值 处 处 处 处说明位移响应从桥架两端往跨中逐渐减小并且发生水
21、击的点的位移响应大于未发生水击的点)倒虹吸管道位移值最大排架盖梁位移值次之主拱圈位移值最小主拱圈/处和拱顶的位移值和盖梁相比较小其原因一是拱圈刚度较大不易变形二是水击波主要作用于倒虹吸管道再经由盖梁排架拱圈的传力路线所分担的力小于盖梁.内力、应力结果为研究结构的动力响应将桥架结构的各监测点和监测点所在截面进行监测得到桥架结构各监测点所在控制截面在整个水击过程中的最大内力值及最不利应力表 对于表 列出的内力值主拱圈监测点()的面内指的是整体坐标系下的 平面排架盖梁监测点()的面内指的是整体坐标系下的 平面而对于表管道监测点()最不利应力指的是 应力桥架监测点()最不利应力指的是第一主应力(拉)和
22、 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报第三主应力(压)表 监测点所在截面最大内力响应表.监测点轴力/面内剪力/面外剪力/扭矩/()面内弯矩/()面外弯矩/().表 监测点所在截面最不利主应力响应表(单位:).(:)监测点(应力).根据表、表 可以得到如下结果)内力响应和位移响应规律一致水击作用对排架盖梁内力影响最大对拱圈的影响较小排架、处的内力响应最大且该部位作为横梁其顺桥向的水击力导致面外动力响应面外最大弯矩为.面外最大剪力为 而竖向的面内最大弯矩为.面内最大剪力为.远小于其顺桥向的响应 同样的顺桥向的力导致拱圈产生内力因此其动力响应主要表现在顺桥 向激励作用下的
23、轴力及面内弯矩、面内剪力 说明在水击力作用下顺桥向的力对桥架结构的影响更大)最不利应力响应同样和位移响应规律一致均体现出了上述水击作用下结构的几个特点:出口侧比入口侧响应大、桥架两端比跨中响应大、排架盖梁比主拱圈响应大因此主应力结果也能非常直观的体现出各个监测点的受力情况 结 论本研究以流固耦合分析理论为基础将整体水力模型计算得到的水击压力波作为流体部分加载条件以 关阀时间工况为例在 平台上进行双向流固耦合分析结构的响应情况得出如下结论)不同的关阀时间对管道的水击规律没有影响即任意关阀时间工况下水击压力波曲线的变化趋势大致相同 并且在流固耦合工况下桥架结构各监测点的整个水击过程的位移趋势基本和
24、水击波曲线规律吻合)阀门关闭时间越短使管道内的压力变化越剧烈管道内各监测点产生的水击压强越大越容易对管道造成破坏而随着关阀时间的增加管内水体的水击能量随之减小水击压力波曲线的振荡周期缩短水击压力波的传播过程中的能量耗损速率加快因此增加倒虹吸管道闸阀的关闭时间可以作为降低倒虹吸管道水击压强与桥架结构在水击作用下的动力响应的有效措施)水击波为纵桥向动荷载对结构的影响也主要体现在顺桥向的动力响应上具体表现为:水击作用下结构以顺桥向位移为主竖向次之横桥向最小在水击力的激励下排架盖梁与主拱圈顺桥向的内力响应明显大于其他方向因此在设计时要着重第 期谢小雨等:基于双向流固耦合的倒虹吸管道水击压力波与拱式桥架
25、组合结构动力响应分析 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报考虑桥架结构的顺桥向刚度)发生水击时管道由于动水压力的作用会在 轴方向上来回振荡振荡幅度随着时间推移逐渐变小而支承管道的排架结构由于刚度不足不能有效限制管道的变形便随着管道一起来回摆动当摆动传导致主拱圈时水击能量已被消耗大半因此管道动力响应 排架盖梁动力响应 主拱圈动力响应 在结构设计时要着重考虑桥架结构的管道的受力性能在管道关阀时要时刻监控结构管道的受力情况)在倒虹吸结构实际运营过程中可能会出现单管运营的工况 而在单管水击作用下桥架结构出口侧与管道连接的盖梁构件会发生大幅度的不均匀变形受力极为不利相应的排架底部也会产生较大拉应力建议
26、这些部位在设计时也应着重考虑并考虑可以在倒虹吸管道支承与桥架盖梁之间布置减隔震支座改变顺桥向刚度使其在水击力作用下吸收缓冲大量外荷载能量将其作为有效阻隔上下部结构振动的措施以降低桥架结构在水击力下的动力响应支座具体刚度值应结合结构的其余动力特性及实际情况选取)在水击力作用下水击波为纵桥向动荷载结构的表现形式为来回振动因此后续应进一步考虑分析可能发生的水击共振现象及水击疲劳现象)本研究均为有限元仿真分析结果均是基于理论分析所得到的并无实际试验数据支撑下一步计划将双管运营工况、管运营工况以及水的流速、关阀方案与关阀规律等其他应考虑的影响水击压强大小的因素考虑进有限元模型中并结合相关规范等具体数值进
27、行分析比较以得到更具有代表性、适用性的结果参考文献:王文婷路宏.浅析压力管道中水击现象的危害及预防.内蒙古石油化工():.():().谭颖.水电站压力管道流固耦合水击及其振动特性的研究.昆明:昆明理工大学.赵钰钱利勤涂忆柳等.多重阀门关闭降低高压管道水击压力的机理和实验研究.科学技术与工程():.():().():.席志德马建中孙磊.空间管道的水锤效应的 研究方法.核动力工程():.():().:():./.:.():.华晔廖伟丽.技术在管道阀门水击计算中的应用.电网与清洁能源():.():().:.李佳蒋定国王煜.长直管道阀门水击压强变化规律数值模拟研究.三峡大学学报(自然科学版)():.(
28、)():().许文奇彭利坤屈铎.基于 的球阀关闭过程水击现象研究.机床与液压():.():().邢景棠周盛崔尔杰.流固耦合力学概述.力学进展():.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报():().蔡微微.水击试验与数值仿真研究.昆明:昆明理工大学.于腾.高水头、长距离倒虹吸管水力特性及结构稳定性研究.西宁:青海大学.陈丹晏成明.三维倒虹吸结构动力响应分析.长江科学院院报():.():().王慧李晓克赵顺波.复杂地质条件下大型箱型倒虹吸动力响应研究.水力发电():.():().冯光伟胡晓李庆亮.南水北调中线沁河倒虹吸管身结构动力分析.人民黄河():.():().张炜超
29、.大型倒虹吸水工结构动力响应分析.兰州:中国地震局兰州地震研究所.汪建.基于 的管路瞬变流流动特性研究.杭州:浙江大学.李娟.长距离倒虹吸水流特性的三维数值模拟.乌鲁木齐:新疆农业大学.巨江.工程水力学数值仿真与可视化.北京:中国水利水电出版社.王福军.计算流体动力学分析:软件原理与应用.北京:清华大学出版社.姚昌荣谭庄周雅宁等.基于流固耦合理论的泥石流冲击桥墩的 动 力 响 应 分 析 .应 用 力 学 学 报 ():.():().宋学官蔡林张华.流固耦合分析与工程实例.北京:中国水利水电出版社.于腾孙新建高真等.基于双向流固耦合的高水头倒虹吸管应力特性分析.青海大学学报():.():().彭利坤屈铎许文奇等.基于水击防护的球阀关闭规律研究.振动与冲击():.():().郭兰兰耿介石硕等.基于 方法的阀门变速关闭过程中的水击压强计算研究.山东大学学报(理学版)():.()():().刘华坪陈浮马波.基于动网格与 技术的阀门流场数值模拟.汽轮机技术():.():().张立翔黄文虎 .水锤诱发弱约束管道流固耦合振动频谱分析.工程力学():.():().(编辑 吕茵)
