一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法技术

本发明专利技术涉及海岸工程领域，尤其涉及一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，包括：利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立平面二维水动力泥沙数学模型；利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度，建立网具与水流的相关理论关系。理论关系。理论关系。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法


[0001]本专利技术涉及海岸工程领域，具体涉及一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法。

技术介绍

[0002]绝大数滨海电厂采用直流循环供水的方式冷却发电机组，最为常见的取水形式为于岸线附近设置取水明渠。对电厂运维而言，需保障在任何极端条件下均可能实现取水，即取水明渠内的底高程需保障足够水深。然而，天然海水中多富含泥沙，取水引入的泥沙将落淤在明渠底部，造成渠底抬高，当泥沙回淤强度过大导致明渠水深小于最低取水深度要求时，将无法取水，进而导致引起发电机组停机。因此，取水明渠内的泥沙回淤是影响电厂取水安全的重要风险源，而对取水明渠内泥沙回淤的准确预测与评估尤为重要。
[0003]在通常条件下，取水明渠仅为单一形式的渠道，其中并无其它构筑物，即明渠内的波浪、水流自然传播、不受干扰。然而，近年来海洋漂浮垃圾，以及海藻、水母、小型鱼虾等海洋生物常发生爆发性增长，在明渠持续取水的作用下，以上致灾物将被卷吸进入取水明渠，极易导致泵房的过滤网发生阻塞，已成为影响滨海电厂安全运行的重要隐患。为了进一步保障取水冷源安全，当前大量电厂均在取水明渠内建设多道拦污网具以阻挡异物，其将柔性网衣采用绳索系泊捆绑在两侧墩台（桩基或沉箱）之上，以维持网衣的全断面形态，以实现对致灾物最大程度的拦截效果。
[0004]拦污网具为致密的柔性结构体，其建设后极大增加了取水明渠内的水流行进阻力，改变了明渠内的水动力条件，进而影响泥沙回淤。实际上，当前已有多个电厂发生了由于网具阻水引起明渠泥沙回淤增大的现象。然而，由于对拦污网具影响下的泥沙回淤机理严重缺乏认识，也没有对其进行合理预测评估的手段，成为了学科中的瓶颈问题。因此，全面了解并认知拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤，发展合理、准确的明渠内泥沙回淤预测方法和手段，对电厂运维安全至关重要。
[0005]在当前的取水明渠泥沙回淤模拟预测技术中，主要包括数学模型试验、物理模型试验等2种手段，但其在拦污网具影响下的回淤预测中，均具有无法克服的缺陷，以下分别阐述。
[0006]（1）拦污网网具自身的细小丝径和柔性导致数学模型难以直接模拟在取水明渠内水动力、泥沙回淤的研究中，数学模型试验应用最为广泛。然而，在拦污网具这种新型柔性构筑物建设后，问题变得极为棘手，主要原因在于拦污网具的结构极为复杂，体现在拦污网衣的网线直径在1mm以内，网目尺寸仅在数毫米至厘米，这种致密、微小的特异结构导致数值模拟需保证计算网格尺寸充分分辨网衣本体，即网格尺度需达到毫米以下量级，而对取水明渠泥沙回淤的模拟，不仅明渠本身尺度为数百米至数公里，同时对泥沙回淤的模拟必须兼顾足够大的范围，故模型计算域的范围一般要达到数十公里的尺度。因此，这种精细化的网格分辨率将导致惊人的网格数与计算量，势必导致数值模拟陷入“瘫痪”。
[0007]此外，拦污网具在取水明渠内水流的作用下，将发生往复振荡和变形，与水动力形成“流固耦合”，由于数学模型试验的模拟精度直接取决于数值方程理论的完备性，而现有的模拟体系中，理论尚不成熟，无法做到完全模拟网衣每个节点和丝径的完全柔性运动，而仅能通过概化的方式进行模拟，或与水动力分离考虑，因此计算结果与现场实际势必存在较大差距。因此，采用数学模型直接模拟网衣运动无论从理论的完备性角度，还是算力角度，均是不可行的。
[0008]（2）物理模型中的模型网衣概化将引起阻力不相似，导致较大误差物理模型试验由于动力环境较为真实，是当前模拟研究的重要手段，其通过一定的比尺转换，将现场结构和动力环境折算至模型尺度，并于室内开展试验。然而，物理模型试验最大的弊端在于存在不可避免的“比尺效应”，进而引起模拟误差，而这一“比尺效应”在柔性网衣的模拟中进一步得到了放大，原因在于细小的网衣尺度一旦采用比例尺换算到实验室中，例如即使采用1:20的试验比尺，则会导致模型网衣的网目小于1mm，网线丝径甚至达到0.01mm以内，无法找到对应的模拟材质。因此，现有物理模型技术中仅能对模型网衣采用“等效透水率”概念进行概化，引起了网衣比尺与结构比尺存在较大差异，即“双比尺”，这便导致模型网衣和现场实际网衣对水动力背景存在严重的“阻力不相似”，引起极大的预测误差。因此，物理模型试验中无法克服的比尺效应，将导致物理模型试验的预测结果不具备现场代表性。
[0009]（3）拦污网衣在波流作用下的阻水效应尚不清晰在阻水构筑物的数值模拟中，为降低小型结构本身尺度对网格精细化的要求，当前也发展了基于阻力系数法的概化思路，即将阻水构筑物当作阻力项代入数值模拟的水动力控制方程中。这一思路在较为常规的刚性体，例如桩墩、潜堤等结构中得到了有效应用，具有良好的模拟精度。然而，拦污网具自身的柔性与系泊方式导致其在明渠水流作用下发生大幅往复变形，导致其阻力系数必然与常规的桩墩、潜堤有极大差异，尤其是不同的拦污网衣形态各异，存在平面网、网兜等多种结构，当前对拦污网衣在波流作用下的阻力系数，仍无明确的研究方法。
[0010]综上所述，当前对柔性拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤模拟预测，现有技术中无论是单独采用数学模型试验，还是单独采用物理模型试验，均有难以克服的问题和弊端，严重困扰了滨海电厂取水冷源安全。因此，如何发挥以上两种方法的优势，并加以结合，发展一种理论可信、操作可行、结论准确的预测方法，是迫在眉睫的需求，也是本专利技术重点解决的问题。

技术实现思路

[0011]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，通过获取不同情况下的受力数据最终得到取水明渠泥沙回淤模拟预测数据。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，包括：S1、获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据；S2、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台
对应受力数据作为第一受力数据；S3、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；S4、利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；S5、利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；S6、利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。
[0013]优选的，所述获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据包括：利用待模拟预测位置的取水明渠布置方案、取水流量、对应海域水下地形、对应海域实测潮位、对应海域的海水流速、对应海域的海水流向与对应海域的海水水体含沙量数据作为待模拟预测位置的取水明渠数据；利用待模拟预测位置对应的原型拦污网具位置、原型拦污网具网衣材质、原型拦污网具网目尺寸、原型拦污网具网线直径、原型拦污网具挂网墩台间距、原型拦污网具网衣密实度与系泊绳索牵拉锚环位置作为待模拟预测位置的拦污网具数据。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，包括：S1、获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据；S2、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；S3、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；S4、利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；S5、利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；S6、利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。2.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据包括：利用待模拟预测位置的取水明渠布置方案、取水流量、对应海域水下地形、对应海域实测潮位、对应海域的海水流速、对应海域的海水流向与对应海域的海水水体含沙量数据作为待模拟预测位置的取水明渠数据；利用待模拟预测位置对应的原型拦污网具位置、原型拦污网具网衣材质、原型拦污网具网目尺寸、原型拦污网具网线直径、原型拦污网具挂网墩台间距、原型拦污网具网衣密实度与系泊绳索牵拉锚环位置作为待模拟预测位置的拦污网具数据。3.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据包括：利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；利用所述实验挂网墩台根据模拟流速工况得到挂网墩台的水平方向总力；利用所述实验挂网墩台的水平方向总力作为第一受力数据；其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值。4.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据包括：利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；根据取水明渠的拦污网具实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验拦污网具；利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具根据模拟流速工况得到实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力；利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力作为第二受力数据；其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值，实验
拦污网具材质、网目尺寸、网线直径与取水明渠中拦污网具材质、网目尺寸、网线直径相同。5.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式包括：利用所述第一受力数据与第二受力数据计算实验工况的拦污网具单独阻力数据的计算式如下： F3=2(F2‑
F1)利用所述拦污网具单独阻力数据计算实验工况的网衣等效阻力系数的计算式如下：利用所述拦污网具数据计算实验工况的网衣雷诺数的计算式如下：利用所述实验工况的网衣等效阻力系数与实验工况的网衣雷诺数计算拦污网具阻力系数分析公式的计算式如下： C
N
=f(R
e
)其中，F1为第一受力数据，F2为第二受力数据，F3为实验工况的拦污网具单独阻力数据，C
N
为实验工况的网衣等效阻力系数，U
c
为模拟流速工况，B
N
为实验网衣宽度，D
N
为实验室水槽的水深，N
S
为网衣密实度，R

【专利技术属性】
技术研发人员：解鸣晓，王恒，侯志强，魏燕杰，李文丹，孙振祥，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：