基于ANSYS的引水工程冰期冰蓋數(shù)值模擬研究

蔡玲玲

(江蘇省江都水利工程管理處萬福閘管理所， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

基于ANSYS的引水工程冰期冰蓋數(shù)值模擬研究

蔡玲玲

(江蘇省江都水利工程管理處萬福閘管理所， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

本文以冰力學(xué)的模型為研究課題，通過數(shù)值模擬的方法研究長距離引水工程，探究如何提高冬季冰期引水的安全性和效率、效益。選取了冰蓋穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中模型參數(shù)，對模型的網(wǎng)格進(jìn)行合理的劃分，通過fluent數(shù)值模擬的方法研究了不同冰厚時的冰蓋等效應(yīng)力情況。

長距離； 輸水工程； 冰蓋； 數(shù)值模擬

我國北部寒冷地區(qū)的水域容易結(jié)冰，因此北方地區(qū)的各種水中構(gòu)筑物，在結(jié)冰期遭受著冰的威脅，南水北調(diào)工程也不例外[1-4]。這些水中的構(gòu)筑物主要有水庫建筑、水運(yùn)碼頭、輸水管線上的水壩、溝渠、橋梁以及水電站等。在冬季，冰的問題干擾著這些過水建筑物，嚴(yán)重時會對建筑物、構(gòu)筑物造成破壞[5-7]。在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時代背景下，各類引水工程、水運(yùn)線路工程、水利工程等建設(shè)取得了較大的發(fā)展，工程數(shù)量也日漸增多。所以，涉及水的各種建筑物、構(gòu)筑物的成功運(yùn)營關(guān)系到我國水利事業(yè)的發(fā)展，尤其是我國重點(diǎn)水利項(xiàng)目——南水北調(diào)工程，提高效率和安全性也是當(dāng)前有關(guān)技術(shù)、研究人員關(guān)注的熱門方向。水利項(xiàng)目前期涉及的關(guān)鍵在于能夠精準(zhǔn)地確定建筑物(或構(gòu)筑物)上的冰荷載[8-10]。因此，本文以冰力學(xué)的模型為研究課題，通過實(shí)驗(yàn)研究南水北調(diào)工程中的引水工程，探究如何提高冬季冰期引水的安全性和效率、效益。

1 冰蓋穩(wěn)定性計(jì)算程序簡介

冰蓋穩(wěn)定性需要借助CAE仿真工具Ansys進(jìn)行計(jì)算，采用Ansys程序進(jìn)行計(jì)算。作為能夠分析設(shè)計(jì)并提高性能的工具，該程序功能多樣、效率高并能夠降低成本。該程序運(yùn)行簡單，無論是從個人計(jì)算機(jī)還是工作站乃至大型電腦，大多數(shù)電腦和系統(tǒng)都能夠運(yùn)行該程序。因此能夠保證無論是何種領(lǐng)域、哪種項(xiàng)目，其用戶都能夠在該程序上進(jìn)行模擬。

關(guān)于冰蓋穩(wěn)定性，Ansys進(jìn)行求解的思路為: 第一，按照建筑物或者構(gòu)筑物的實(shí)際情況，構(gòu)建模擬數(shù)字工程模型；第二，給模型所涉及的實(shí)常數(shù)組、材料以及單元等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以便能夠準(zhǔn)確反映模型所代表實(shí)物的大小、外形等其他典型特征；第三，模型的每一個部分的實(shí)常數(shù)組、材料以及單元都要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；第四， 將模型劃出合適的網(wǎng)格，劃分以沒有畸形元、精確性高為原則；第五，計(jì)算結(jié)果；第六，處理已經(jīng)得到的初步成果，用圖表、數(shù)據(jù)等形式表達(dá)出來。

2 冰蓋穩(wěn)定性試驗(yàn)及模型參數(shù)選取

本研究實(shí)驗(yàn)在低溫結(jié)冰的水池中進(jìn)行，水池長20m，寬5m。本研究的研究對象包括水渠的構(gòu)筑物，因此本次冰蓋穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)也受到水渠邊緣的影響。實(shí)驗(yàn)應(yīng)該盡量減小偏差，增加精確度，Ansys程序基本完全模擬工程項(xiàng)目的實(shí)況，按照渠道的大小以1∶1的比例構(gòu)建模型。進(jìn)行冰蓋的穩(wěn)定程度測試時，在結(jié)冰處增加荷載，當(dāng)渠道內(nèi)壁在荷載的壓力下?lián)p壞后，冰蓋本身仍然處于平整的狀態(tài)，模擬結(jié)果如圖1所示。在用Ansys程序構(gòu)建模型來模擬時，不能選取冰蓋全部，而是只選擇冰蓋的1/2端的臂梁施加荷載，荷載必須均勻施加，最后模擬數(shù)字模型進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)測得一組數(shù)據(jù)，其中冰的厚度應(yīng)該根據(jù)結(jié)果選擇7個，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。冰蓋長達(dá)10m，寬達(dá)2m，彈性為2個模量，泊松比μ為0.3，冰蓋的極限抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 冰蓋穩(wěn)定性模型試驗(yàn)參數(shù)

3 冰蓋模型網(wǎng)格劃分

將模型劃出合適的網(wǎng)格，劃分以沒有畸形元、精確性高為原則。冰蓋的模型分割如圖1所示，模型可放大其中某部分進(jìn)行詳細(xì)觀測。

圖1 冰蓋模型總體網(wǎng)格劃分

4 冰蓋數(shù)學(xué)模型計(jì)算

增加荷載時，會在冰蓋上產(chǎn)生向上的力，最后會使水渠內(nèi)壁發(fā)生斷裂損壞，所以此時對模型所施加的均勻荷載可以認(rèn)為是冰蓋達(dá)到臨界狀態(tài)時的最大荷載，也就是渠道模型的最大抗壓度。根據(jù)模型的模擬結(jié)果，可得知除內(nèi)壁外，其他局部都不會到這種狀態(tài)。圖2～圖7為當(dāng)冰的厚度為0.06m、0.09m、0.15m、0.18m、0.23m、0.27m時，冰蓋模型節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力圖。

圖2 h=0.06m時冰蓋等效應(yīng)力圖

圖3 h=0.09m時冰蓋等效應(yīng)力圖

圖4 h=0.15m時冰蓋等效應(yīng)力圖

圖6 h=0.23m時冰蓋等效應(yīng)力圖

圖7 h=0.27m時冰蓋等效應(yīng)力圖

圖8為冰蓋模型節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力局部放大圖。

圖8 冰蓋模型節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力局部放大

利用Ansys程序可以計(jì)算水渠內(nèi)壁荷載的大小，同時可以得出多組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。本次實(shí)驗(yàn)選擇了3組數(shù)據(jù)，分別為厚度0.06m、厚度0.18m和厚度0.27m，水渠內(nèi)壁的荷載大小的測算結(jié)果見表2。

5 計(jì)算數(shù)據(jù)分析

當(dāng)水渠內(nèi)壁在荷載重壓下達(dá)到斷裂損壞狀態(tài)時，極限狀態(tài)下測得的荷載數(shù)據(jù)見表2。

表2 冰蓋在渠道邊壁處的冰力數(shù)據(jù)總表

因?yàn)楸w并不是理想的可塑性材料，在實(shí)驗(yàn)中卻將其當(dāng)作該類型材料進(jìn)行測算，因此得到的結(jié)果比預(yù)想的要大。除此之外，施加荷載的過程中忽略了損壞也會引起非同時損壞效應(yīng)，也會導(dǎo)致模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測算的要大。但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測算冰的力度干擾系數(shù)和Ansys程序所模擬的干擾系數(shù)不存在較大差值，可以認(rèn)為最后計(jì)算的冰力不存在錯誤，基本正確。

當(dāng)然，上述結(jié)果也說明Ansys程序的模擬存在偏差，主要原因如下：

第一，在Ansys程序進(jìn)行測算時產(chǎn)生偏差。所劃分的單元格做不到無限小。

第二，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在的偏差。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時，因?yàn)檠芯繂T以及其他干擾因子影響，尤其是從實(shí)驗(yàn)初始一直到最后，水池溫度增加，導(dǎo)致冰的硬度和厚度發(fā)生改變，過程中冰的硬度會減小，結(jié)冰的過程中，冰蓋整體較大，局部冰的厚度并不能毫無偏差，因此也會產(chǎn)生偏差。

最后，通過模擬分析和實(shí)驗(yàn)測算，表明采用彈塑性有限元方法來應(yīng)對冰蓋的穩(wěn)定度能夠滿足基本要求。

6 結(jié) 論

綜上所述，本文開始利用了有限元方法以及相關(guān)的一些原理和基礎(chǔ)知識進(jìn)行計(jì)算解題，并引入了Ansys程序，利用數(shù)字模型對冰蓋的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，然后將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的說明，包括如何對模型的參數(shù)進(jìn)行復(fù)制、分割單元網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算數(shù)字模型等各個流程。最后分析所得到的模擬及測算數(shù)據(jù)，比較分別在冰的7種不同厚度為0.06m、0.09m、0.15m、0.18m、0.23m、0.27m時，冰蓋模型節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力，得出冰的力度影響系數(shù)，并分析了偏差產(chǎn)生的兩個主要原因。

[1] 王大偉,江勇.引黃濟(jì)青工程冰期輸水運(yùn)行研究[J].水利水電工程設(shè)計(jì),1996(2):5-58.

[2] 程玉慧,蔣禮平.關(guān)于引黃濟(jì)津保證冰期輸水安全的幾個問題[J].海河水利,1982(1):17-24.

[3] 劉之平,陳文學(xué),吳一紅.南水北調(diào)中線工程輸水方式及冰害防治研究[J].中國水利,2008(21):60-62.

[4] 范北林,張細(xì)兵,藺秋生.南水北調(diào)中線工程冰期輸水冰情及措施研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2008,6(1):66-69.

[5] 孫肇初,汪德勝,汪肇興,等.冰塞厚度分布計(jì)算模型初步探討[J].水利學(xué)報，1989(1):54-60.

[6] 可素娟,等.萬家寨水庫凌情特點(diǎn)及初始封河期調(diào)度方案研究[J].冰川凍土，2002,24(2):209-213.

[7] 嚴(yán)增才,吳新玲.南水北調(diào)中線工程冰期輸水原型觀測與冰情分析[J].河北水利,2008(4):28-29.

[8] 李志軍,楊宇,彭旭明,等.黑龍江紅旗泡水庫冰生長過程現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的剖析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,2009,25(3):270-274.

[9] 白世錄，張立忠.試論冰水力學(xué)模型的相似率[J].泥沙研究，1997，3(9).

[10] 謝永剛.黑龍江勝利水庫冰蓋生效規(guī)律[J].冰川凍土，1992，14(2)：168-173.

Research on ice-age ice sheet numerical simulation of ANSYS-based water diversion project

CAI Lingling

(JiangsuJiangduWaterConservancyProjectManagementOfficeWanfuzhaManagementOffice,Yangzhou225200,China)

In the paper, ice mechanics model is regarded as a research topic. Long-distance water diversion project is studied through the method of numerical simulation, thereby exploring how to improve the safety, efficiency and benefits of ice-age winter diversion in winter. Model parameters in ice sheet stability test process are selected for dividing the model grid rationally. Ice sheet equivalent stress condition during different ice thicknesses is studied through the method of fluent numerical simulation.

long distance; water diversion project; ice sheet; numerical simulation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.02.019

TV13

A

2096-0131(2017)02- 0068- 04