車淑平，王 輝，陳思遠(yuǎn)，許條建

（1.蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518038；2.上海儀耐新材料科技有限公司，上海 201702；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

核電站攔污網(wǎng)是核電站循環(huán)水系統(tǒng)的第1道攔污屏障，攔污網(wǎng)的設(shè)置、維護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到電站的取水安全。攔污網(wǎng)作為一種柔性、多孔結(jié)構(gòu)物，在波浪和水流作用下會(huì)產(chǎn)生超大變形、超大位移，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和破壞過程具有極強(qiáng)的非線性，柔性網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和安全評(píng)估已經(jīng)成為國內(nèi)外同行的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

柔性網(wǎng)衣水動(dòng)力特性研究是核電冷源攔截設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全使用的基礎(chǔ)和依據(jù)，針對波流作用下柔性網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。TSUKROV I等[1]和SWIFT M R等[2]通過數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)研究了網(wǎng)衣在波浪和水流作用下的動(dòng)力響應(yīng)，分析了網(wǎng)衣上的附著生物對其受力的影響，TSUKROV I等[3]進(jìn)一步添加非線性結(jié)構(gòu)單元對其數(shù)值模型進(jìn)行了改進(jìn)。TSUKROV I等[4]通過物理模型實(shí)驗(yàn)測量了不同類型的銅網(wǎng)衣的拖曳力，并給出了不同類型銅網(wǎng)衣法向拖曳力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。LADER P F等[5]運(yùn)用超級(jí)單元法對網(wǎng)衣進(jìn)行模擬，研究了柔性網(wǎng)衣在波浪和水流作用下的動(dòng)力特性，并進(jìn)一步分析了波高、周期、流速、浮架運(yùn)動(dòng)、底部沉子重量及網(wǎng)衣密實(shí)度對網(wǎng)衣水動(dòng)力特性的影響。網(wǎng)衣布置在養(yǎng)殖水域之后，大量的海洋生物會(huì)粘附在網(wǎng)衣表面，導(dǎo)致網(wǎng)衣的密實(shí)度發(fā)生變化，GANSEL L C等[6-7]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)研究了網(wǎng)衣密實(shí)度對網(wǎng)箱周圍流場的影響。MOE H等[8]通過模型實(shí)驗(yàn)分析了強(qiáng)流作用下網(wǎng)衣密實(shí)度對網(wǎng)衣變形及其所受荷載的影響，研究表明當(dāng)網(wǎng)衣密實(shí)度較小時(shí)，采用傳統(tǒng)的Morison公式計(jì)算網(wǎng)衣的荷載是可行的，但是當(dāng)網(wǎng)衣密實(shí)度較大時(shí)，需要開發(fā)新的模型計(jì)算網(wǎng)衣的荷載及變形。韓國、日本和法國等國家的學(xué)者對網(wǎng)衣水動(dòng)力特性也進(jìn)行了一定的研究，CHA B J等[9]通過物理模型實(shí)驗(yàn)測量了水流作用下銅網(wǎng)衣的拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)，并通過PIV測試技術(shù)測量了銅網(wǎng)衣周圍的流場特性。SHIMIZU H等[10]通過模型實(shí)驗(yàn)測量了平面網(wǎng)衣、半圓形網(wǎng)衣和圓形網(wǎng)衣的拖曳力，分析了水流沖擊角對細(xì)密網(wǎng)衣拖曳力的影響。TAKASHI S等[11-12]開發(fā)了一套網(wǎng)衣形狀和荷載分析系統(tǒng)，并將其成功地應(yīng)用于張網(wǎng)和刺網(wǎng)的水動(dòng)力響應(yīng)研究。O′NEIL F G等[13]采用兩種數(shù)值模型分析了網(wǎng)衣的變形，并將數(shù)值模擬結(jié)果與解析解對比，驗(yàn)證了其數(shù)值模型的有效性。

國內(nèi)柔性網(wǎng)衣水動(dòng)力的研究水平較國外有一定差距，但仍有許多的學(xué)者在網(wǎng)衣水動(dòng)力特性方面做了大量的研究工作。LIU L L等[14]通過物理模型實(shí)驗(yàn)分析了強(qiáng)迫振動(dòng)條件下柔性網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性，計(jì)算了網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)。趙云鵬等[15]采用多孔介質(zhì)模型分析了平面網(wǎng)衣周圍的流場特性，并采用物理模型實(shí)驗(yàn)對其數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。TANG H等[16]實(shí)驗(yàn)研究了不同流速和沖擊角條件下網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性，并分析了結(jié)節(jié)類型對網(wǎng)衣水動(dòng)力的影響。ZHAN J M等[17]通過模型實(shí)驗(yàn)研究了雷諾數(shù)、網(wǎng)衣密實(shí)度、網(wǎng)格類型和水流方向?qū)W(wǎng)衣的拖曳力的影響。宋偉華等[18]分析了波浪經(jīng)過網(wǎng)衣后的特征，研究了網(wǎng)衣的波浪力和波浪透射系數(shù)與波浪參數(shù)、網(wǎng)衣特征參數(shù)的關(guān)系。XU T J等[19]、TANG M F等[20]、DONG G H等[21]針對波浪和水流作用下網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力開展了系統(tǒng)研究，分析了網(wǎng)衣材料、結(jié)節(jié)類型、網(wǎng)衣密實(shí)度等參數(shù)對網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性的影響。劉彥等[22]對攔污網(wǎng)泥沙附網(wǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了網(wǎng)衣孔徑大小、水流流速等因素對泥沙附網(wǎng)效應(yīng)的影響。黃宣軍等[23]通過物理模型實(shí)驗(yàn)研究了不同堵塞率條件下攔污網(wǎng)主纜繩的受力特性。WU Q J等[24]對濱海核電站取水口冷源過濾系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)行了梳理，并對取水明渠的平面布置進(jìn)行了優(yōu)化。

綜上可知，大量的學(xué)者針對柔性網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性開展了數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)研究，但是針對攔污網(wǎng)的張力分布還未見相關(guān)報(bào)道，而核電站攔污網(wǎng)的張力分布是攔污網(wǎng)安全設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。本文將通過數(shù)值模擬的方法分析取水明渠海生物堵塞分布特征，并對攔污網(wǎng)及其錨繩系統(tǒng)的張力分布進(jìn)行研究，分析攔污網(wǎng)的寬度對其張力分布的影響，相關(guān)研究工作將為核電站攔污網(wǎng)的安全設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 網(wǎng)衣數(shù)值模型

取水明渠攔污網(wǎng)是一種柔性多孔結(jié)構(gòu)物，在海洋環(huán)境荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生大的變形，本文將采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方法建立網(wǎng)衣的數(shù)值模型，并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建取水明渠的流場模型，基于取水明渠流場模型計(jì)算得到取水明渠流速分布，計(jì)算網(wǎng)衣在水流作用下的變形和受力，進(jìn)一步計(jì)算獲得系泊纜繩的受力。

1.1 取水明渠流場模型

采用多孔介質(zhì)模型對網(wǎng)衣的阻流效果進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)攔截設(shè)施周圍流場的有效模擬。

1.1.1 控制方程

采用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程描述水流作用下網(wǎng)衣周圍流體的運(yùn)動(dòng)，連續(xù)性方程如下。

式中，t為時(shí)間；ρ為流體的密度；μ為流體的動(dòng)力粘度；μt為渦流粘度；P=p+（2/3）ρk，p為壓力，k是湍動(dòng)能；ui、uj為流體速度分量的時(shí)均值；gi為重力加速度；i、j=1，2，3；x、y、z表示坐標(biāo)分量；Si是動(dòng)量方程源項(xiàng)。

湍流模型采用Realizablek-ε模型，關(guān)于湍動(dòng)能k的方程如下。

式中，Gk是由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM表示可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)散分布的整體耗散率；C2、C1ε為常量；σk、σε為k方程和ε方程的普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng)。

1.1.2 多孔介質(zhì)模型

通過合理地設(shè)置多孔介質(zhì)系數(shù)，可使得多孔介質(zhì)具有與網(wǎng)衣相同的阻流效果。當(dāng)水流通過多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，壓力梯度具有如下的形式。

式中，a、b為常數(shù)；u為流速矢量。

在多孔介質(zhì)邊界外的流體區(qū)域，動(dòng)量方程的源項(xiàng)Si=0；而在多孔介質(zhì)內(nèi)，源項(xiàng)Si形式如下。

式中，Cij為多孔介質(zhì)系數(shù)矩陣；Cn表示法向阻力系數(shù)；Ct表示切向阻力系數(shù)。

1.2 網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)模型

取水明渠攔污網(wǎng)是一種柔性多孔結(jié)構(gòu)物，在海洋環(huán)境荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生大的變形，本文將采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方法建立網(wǎng)衣的數(shù)值模型，計(jì)算網(wǎng)衣在水流作用下的變形和受力，進(jìn)一步計(jì)算獲得系泊纜繩的受力。直接對攔污網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，需要設(shè)置的集中質(zhì)量點(diǎn)數(shù)非常多，需要大量的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，為了提高計(jì)算效率，采用網(wǎng)目群化的方法對網(wǎng)衣進(jìn)行模擬。網(wǎng)目群化的方法是利用等效網(wǎng)衣來模擬實(shí)際的網(wǎng)衣，將多個(gè)小網(wǎng)目用一個(gè)較大的網(wǎng)目進(jìn)行模擬。等效網(wǎng)衣與實(shí)際網(wǎng)衣有相同的物理性質(zhì)，包括網(wǎng)衣的迎流面積和網(wǎng)衣的質(zhì)量等。

1.2.1 網(wǎng)衣受力分析

如圖1所示，網(wǎng)衣被簡化為一系列由無質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量點(diǎn)[25]，集中質(zhì)量點(diǎn)位于網(wǎng)目目腳的兩端和中間位置。根據(jù)網(wǎng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目腳兩端的集中質(zhì)量點(diǎn)形狀為圓形，其水動(dòng)力系數(shù)在各運(yùn)動(dòng)方向上是恒定的；因目腳可以看作為圓柱形桿件，故設(shè)于目腳中間的集中質(zhì)量點(diǎn)應(yīng)該具有圓柱桿件的水動(dòng)力特性，其水動(dòng)力系數(shù)具有方向性。綜合考慮計(jì)算效率和精度，采用8個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)模擬一個(gè)網(wǎng)目，增加集中質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)目對于提高精度效果有限，但是會(huì)極大地降低計(jì)算效率。通過求解各集中質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程，可以獲得各個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的位移，最終得到網(wǎng)衣的運(yùn)動(dòng)和變形。

圖1 網(wǎng)衣集中質(zhì)量點(diǎn)模型

假定網(wǎng)衣的網(wǎng)線絕對柔軟，只能承受拉伸張力，因此，只考慮網(wǎng)線的拉伸剛度，忽略其抗彎剛度?；赪ilson的研究，網(wǎng)線受到的張力與伸長率之間的關(guān)系式如下。

式中，F(xiàn)T是網(wǎng)線的張力；l0是網(wǎng)線的初始長度；l是網(wǎng)線變形之后的長度；d是網(wǎng)線的直徑；C1和C2是材料的彈性常數(shù)。

如圖2所示，在目腳上建立一個(gè)坐標(biāo)系O-τηξ，用于考慮目腳的受力方向，坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于目腳的中心，η軸位于τ軸和速度V所組成的平面內(nèi)。采用Morison公式計(jì)算目腳受到的水動(dòng)力，然后將目腳受到的水動(dòng)力均勻地分配到與之相連的集中質(zhì)量點(diǎn)。

圖2 網(wǎng)目目腳局部坐標(biāo)示意圖

式中，CDτ表示τ方向的拖曳力系數(shù)；D是目腳直徑；l是目腳長度；Vτ和Uτ分別為水質(zhì)點(diǎn)和網(wǎng)衣集中質(zhì)量點(diǎn)在τ方向的速度分量；類似的表達(dá)式能夠用來計(jì)算拖曳力在η和ξ軸的分量（FDη，F(xiàn)Dξ）。

1.2.2 網(wǎng)衣運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)牛頓第二定律，集中質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程如下所示。

式中，F(xiàn)D和FI分別為作用在網(wǎng)衣上的拖曳力與慣性力；R是集中質(zhì)量點(diǎn)的位移；FT是網(wǎng)衣目腳的張力；B是網(wǎng)衣浮力；W是網(wǎng)衣重力。

1.3 取水明渠攔截設(shè)施布置

本文針對嶺澳核電站的流場進(jìn)行分析，通過對取水明渠內(nèi)部的流線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得明渠內(nèi)部海生物堵塞分布特征。嶺澳取水明渠流場分析的數(shù)值模型如圖3所示，在邊界入口處采用壓力入口邊界，在取水口采用速度出口邊界，取水口1和取水口2的取水流量分別為95.4 m3/s和134.26 m3/s。取水明渠的橫截面設(shè)置如圖4所示，兩側(cè)邊坡的坡度為1∶1.5，取水明渠的水深為6.82 m。圖5給出了嶺澳核電站取水明渠流場分析的網(wǎng)格布置，計(jì)算模型采用兩相流進(jìn)行模擬，流場計(jì)算模型的水底垂向坐標(biāo)值為0 m，在液面附近和樁基附近對網(wǎng)格進(jìn)行了加密。如圖6所示，取水明渠包含四道攔截設(shè)施，第一道攔截設(shè)施為平面網(wǎng)，第二道攔截設(shè)施為樁基式網(wǎng)兜，第三道攔截設(shè)施為全斷面式網(wǎng)兜，第四道攔截設(shè)施為兜底網(wǎng)。

圖3 嶺澳核電站取水明渠平面尺寸（單位：m）

圖4 嶺澳核電站取水明渠邊坡尺寸（單位：m）

圖5 嶺澳核電站取水明渠數(shù)值模型網(wǎng)格設(shè)置

圖6 取水明渠攔截設(shè)施布置

如圖7所示，取水明渠的平面攔污網(wǎng)通過樁基進(jìn)行固定，樁基式平面網(wǎng)衣高10.5 m，水深6.82 m，網(wǎng)目邊長為50 mm×50 mm，線徑3.5 mm。為了方便對系泊纜繩力進(jìn)行說明，對系泊纜繩進(jìn)行編號(hào)，纜繩1—10為側(cè)部錨繩，纜繩11—17為底部錨繩。

圖7 樁基式平面網(wǎng)衣數(shù)值模型

2 明渠攔污網(wǎng)水動(dòng)力特性分析

分析取水明渠的流場分布，并基于流線的統(tǒng)計(jì)分析獲得海生物堵塞分布特征，采用網(wǎng)衣的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算模型分析網(wǎng)衣寬度對其張力的影響。

2.1 取水明渠流場特征

取水明渠布置了攔截設(shè)施，并且受到岸線的影響，取水明渠內(nèi)部流場十分復(fù)雜。圖8給出了攔截設(shè)施安裝前、后取水明渠水平橫截面的流場分布，h為水平橫截面至靜水面的距離，結(jié)果表明：在防波堤左側(cè)封閉水域流速較小，流體幾乎靜止不動(dòng)；而防波堤的右側(cè)，流速明顯大于防波堤左側(cè)的流速，并且隨著明渠寬度的縮小流速逐漸增加，最大流速相較于口門處流速增加4.1倍；攔截設(shè)施樁基對水流的影響主要局限于樁基尾部，對于遠(yuǎn)端流速的影響有限，樁基下游30 m處流速將不受其影響。不同深度水平面的流速分布較為接近，流速沿垂直方向分布較為均勻。由于防波堤處于分流且明渠寬度減少的位置，其右側(cè)偏下游位置的流速有所增加。攔截設(shè)施安裝前后取水明渠的流場無顯著變化，明渠流場特征不會(huì)因?yàn)閿r截設(shè)施的安裝而發(fā)生顯著變化。

圖8 明渠水平橫截面流場，左側(cè)為空水渠/右側(cè)為布置攔截設(shè)施（單位：m/s）

2.2 堵塞物分布統(tǒng)計(jì)

攔截網(wǎng)堵塞的海生物游泳能力較弱，其分布特征主要受到流速和流向的影響，因此，本文基于流線的密集程度來分析堵塞物的分布特征。具體方法如下：選取不同深度的水平截面，對每個(gè)水平截面進(jìn)行分段，獲得水平截面的分段流線統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)而獲得攔截設(shè)施所在橫截面的流線分布特征。將不同深度的水平截面流線統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行平均，獲得整個(gè)橫截面不同分段的流線統(tǒng)計(jì)特征，表征堵塞物的分布。嶺澳取水明渠第一道攔截設(shè)施和第二道攔截設(shè)施距離較近，選取同一個(gè)斷面進(jìn)行分析。取水明渠的三個(gè)橫截面位置如圖9所示。

圖9 取水明渠流線分析橫截面分布

取水明渠不同深度（h=2.0 m、4.0 m、6.0 m和6.8 m）的水平橫截面的分段情況見圖10。橫截面1較寬，均分為12個(gè)區(qū)段用于統(tǒng)計(jì)堵塞海生物的分布，橫截面2和橫截面3相對較窄，分別分為6個(gè)區(qū)段和5個(gè)區(qū)段。在明渠入口均布50條流線，由于流場不均勻性，流線密度會(huì)發(fā)生變化，每個(gè)區(qū)段內(nèi)有不同數(shù)量的流線，用單區(qū)段流線數(shù)除以總條數(shù)50，作為此水深區(qū)段堵塞物占據(jù)整個(gè)橫截面內(nèi)的百分比；最后，4種水深下每個(gè)區(qū)段百分比的平均值，作為該區(qū)段堵塞海生物分布的特征值。

圖10 取水明渠流線統(tǒng)計(jì)區(qū)段布置示意圖（單位：m/s）

嶺澳取水明渠海生物堵塞分布統(tǒng)計(jì)特征值如表1~表3所示。結(jié)果表明：橫截面1取水明渠右側(cè)（J段、K段、L段）流線分布密集，說明此區(qū)段海生物堵塞比較嚴(yán)重；橫截面2明渠兩側(cè)（A段和F段）流線分布較稀疏，中間區(qū)段（B段、C段、D段、E段）流線分布較密集，說明中間區(qū)段海生物堵塞嚴(yán)重；橫截面3各區(qū)段流線分布較為接近，說明各區(qū)段發(fā)生海生物堵塞的情況相近。局部出現(xiàn)小范圍的流速較大，堵塞較小的原因是該位置的高流速是由局部循環(huán)的渦引起的高流速。

表1 橫截面1的堵塞海生物分布統(tǒng)計(jì)特征值

表3 橫截面3的堵塞海生物分布統(tǒng)計(jì)特征值

2.3 網(wǎng)衣寬度的影響

分析網(wǎng)衣寬度對平面攔污網(wǎng)系泊纜力的影響，構(gòu)建樁基承受的拉力與攔截設(shè)施寬度之間的關(guān)系。計(jì)算工況見表4，流速采用均勻流速，為9.2 cm/s。

表4 樁基式平面網(wǎng)安全分析計(jì)算工況

表2 橫截面2的堵塞海生物分布統(tǒng)計(jì)特征值

圖11給出了不同寬度平面網(wǎng)衣的張力，最大張力所在的位置隨著寬度的不同而不同；寬度為15 m、18 m和24 m的平面網(wǎng)衣最大張力分別為0.7 N、1.1 N和2.0 N，平面網(wǎng)衣最大張力與網(wǎng)衣寬度呈線性關(guān)系。為了提高攔污網(wǎng)的安全性，建議在網(wǎng)衣張力較大的區(qū)域，增加網(wǎng)衣的線徑或者布置更密的網(wǎng)綱，以提高網(wǎng)衣的安全性。

圖11 不同寬度的平面網(wǎng)衣張力分布（單位：N）

表5給出了不同寬度平面網(wǎng)衣的側(cè)部系泊纜繩張力分布，側(cè)部纜繩最大張力顯著大于底部纜繩最大張力。結(jié)果表明：隨著平面網(wǎng)衣寬度的增加，側(cè)部主纜繩（1號(hào)纜繩）的最大張力也顯著增加；側(cè)部主纜繩（1號(hào)纜繩）的最大張力與平面網(wǎng)衣寬度之間呈線性關(guān)系，平面網(wǎng)衣寬度增加會(huì)導(dǎo)致樁基受到的拉力線性增加。

表5 不同寬度的平面網(wǎng)衣的側(cè)部纜繩力單位：N

表6給出了不同寬度的平面網(wǎng)衣底部系泊纜繩張力。底部系泊纜繩最大張力位置隨著網(wǎng)衣寬度的變化而發(fā)生變化，底部纜繩的最大張力不會(huì)隨著網(wǎng)衣寬度的增加而線性增加，主要原因是不同寬度條件下，網(wǎng)衣的張力分布不同。

表6 不同寬度的平面網(wǎng)衣的底部纜繩力單位：N

3 結(jié) 論

采用多孔介質(zhì)模型和集中質(zhì)量法構(gòu)建了取水明渠攔截設(shè)施周圍流場及其張力響應(yīng)分析的數(shù)值模型，結(jié)果表明：攔截設(shè)施布置之后取水明渠流場無顯著變化，取水明渠形狀確定之后，明渠的流場特征不會(huì)因攔截設(shè)施的布置而發(fā)生顯著變化。取水明渠攔截設(shè)施橫截面處海生物堵塞存在顯著的不均勻性，這將影響到攔截設(shè)施張力分布特征。攔截設(shè)施及其系泊纜繩最大張力與網(wǎng)衣寬度呈線性關(guān)系，隨著寬度的增加而線性增加。建議在網(wǎng)衣拉力較大的區(qū)域增加網(wǎng)線線徑或加密網(wǎng)綱，以提高平面攔污網(wǎng)的安全性。