濱海核電站取水明渠攔污網水動力響應數值模擬研究

車淑平，王 輝，陳思遠，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.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

核電站攔污網是核電站循環水系統的第1道攔污屏障，攔污網的設置、維護和穩定運行直接影響到電站的取水安全。攔污網作為一種柔性、多孔結構物，在波浪和水流作用下會產生超大變形、超大位移，其結構動力特性和破壞過程具有極強的非線性，柔性網衣結構的動力特性和安全評估已經成為國內外同行的研究熱點和難點。

柔性網衣水動力特性研究是核電冷源攔截設施結構設計和安全使用的基礎和依據，針對波流作用下柔性網衣的水動力特性，國內外學者開展了大量的研究工作。TSUKROV I等[1]和SWIFT M R等[2]通過數值模擬和物理模型實驗研究了網衣在波浪和水流作用下的動力響應，分析了網衣上的附著生物對其受力的影響，TSUKROV I等[3]進一步添加非線性結構單元對其數值模型進行了改進。TSUKROV I等[4]通過物理模型實驗測量了不同類型的銅網衣的拖曳力，并給出了不同類型銅網衣法向拖曳力系數的經驗公式。LADER P F等[5]運用超級單元法對網衣進行模擬，研究了柔性網衣在波浪和水流作用下的動力特性，并進一步分析了波高、周期、流速、浮架運動、底部沉子重量及網衣密實度對網衣水動力特性的影響。網衣布置在養殖水域之后，大量的海洋生物會粘附在網衣表面，導致網衣的密實度發生變化，GANSEL L C等[6-7]采用計算流體動力學數值模擬和物理模型實驗研究了網衣密實度對網箱周圍流場的影響。MOE H等[8]通過模型實驗分析了強流作用下網衣密實度對網衣變形及其所受荷載的影響，研究表明當網衣密實度較小時，采用傳統的Morison公式計算網衣的荷載是可行的，但是當網衣密實度較大時，需要開發新的模型計算網衣的荷載及變形。韓國、日本和法國等國家的學者對網衣水動力特性也進行了一定的研究，CHA B J等[9]通過物理模型實驗測量了水流作用下銅網衣的拖曳力系數和升力系數，并通過PIV測試技術測量了銅網衣周圍的流場特性。SHIMIZU H等[10]通過模型實驗測量了平面網衣、半圓形網衣和圓形網衣的拖曳力，分析了水流沖擊角對細密網衣拖曳力的影響。TAKASHI S等[11-12]開發了一套網衣形狀和荷載分析系統，并將其成功地應用于張網和刺網的水動力響應研究。O′NEIL F G等[13]采用兩種數值模型分析了網衣的變形，并將數值模擬結果與解析解對比，驗證了其數值模型的有效性。

國內柔性網衣水動力的研究水平較國外有一定差距，但仍有許多的學者在網衣水動力特性方面做了大量的研究工作。LIU L L等[14]通過物理模型實驗分析了強迫振動條件下柔性網衣的水動力特性，計算了網衣結構的拖曳力系數和慣性力系數。趙云鵬等[15]采用多孔介質模型分析了平面網衣周圍的流場特性，并采用物理模型實驗對其數值模型進行了驗證。TANG H等[16]實驗研究了不同流速和沖擊角條件下網衣的水動力特性，并分析了結節類型對網衣水動力的影響。ZHAN J M等[17]通過模型實驗研究了雷諾數、網衣密實度、網格類型和水流方向對網衣的拖曳力的影響。宋偉華等[18]分析了波浪經過網衣后的特征，研究了網衣的波浪力和波浪透射系數與波浪參數、網衣特征參數的關系。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衣結構的水動力開展了系統研究，分析了網衣材料、結節類型、網衣密實度等參數對網衣結構水動力特性的影響。劉彥等[22]對攔污網泥沙附網機理進行了研究，分析了網衣孔徑大小、水流流速等因素對泥沙附網效應的影響。黃宣軍等[23]通過物理模型實驗研究了不同堵塞率條件下攔污網主纜繩的受力特性。WU Q J等[24]對濱海核電站取水口冷源過濾系統安全設計存在的問題進行了梳理，并對取水明渠的平面布置進行了優化。

綜上可知，大量的學者針對柔性網衣的水動力特性開展了數值模擬和物理模型實驗研究，但是針對攔污網的張力分布還未見相關報道，而核電站攔污網的張力分布是攔污網安全設計的重要基礎。本文將通過數值模擬的方法分析取水明渠海生物堵塞分布特征，并對攔污網及其錨繩系統的張力分布進行研究，分析攔污網的寬度對其張力分布的影響，相關研究工作將為核電站攔污網的安全設計提供重要參考。

1 網衣數值模型

取水明渠攔污網是一種柔性多孔結構物，在海洋環境荷載作用下，會產生大的變形，本文將采用集中質量點的方法建立網衣的數值模型，并利用計算流體動力學方法構建取水明渠的流場模型，基于取水明渠流場模型計算得到取水明渠流速分布，計算網衣在水流作用下的變形和受力，進一步計算獲得系泊纜繩的受力。

1.1 取水明渠流場模型

采用多孔介質模型對網衣的阻流效果進行模擬，從而實現攔截設施周圍流場的有效模擬。

1.1.1 控制方程

采用連續性方程和動量方程描述水流作用下網衣周圍流體的運動，連續性方程如下。

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

湍流模型采用Realizablek-ε模型，關于湍動能k的方程如下。

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

1.1.2 多孔介質模型

通過合理地設置多孔介質系數，可使得多孔介質具有與網衣相同的阻流效果。當水流通過多孔介質區域時，壓力梯度具有如下的形式。

式中，a、b為常數；u為流速矢量。

在多孔介質邊界外的流體區域，動量方程的源項Si=0；而在多孔介質內，源項Si形式如下。

式中，Cij為多孔介質系數矩陣；Cn表示法向阻力系數；Ct表示切向阻力系數。

1.2 網衣結構模型

取水明渠攔污網是一種柔性多孔結構物，在海洋環境荷載作用下，會產生大的變形，本文將采用集中質量點的方法建立網衣的數值模型，計算網衣在水流作用下的變形和受力，進一步計算獲得系泊纜繩的受力。直接對攔污網進行數值模擬，需要設置的集中質量點數非常多，需要大量的內存和計算時間，為了提高計算效率，采用網目群化的方法對網衣進行模擬。網目群化的方法是利用等效網衣來模擬實際的網衣，將多個小網目用一個較大的網目進行模擬。等效網衣與實際網衣有相同的物理性質，包括網衣的迎流面積和網衣的質量等。

1.2.1 網衣受力分析

如圖1所示，網衣被簡化為一系列由無質量彈簧連接的集中質量點[25]，集中質量點位于網目目腳的兩端和中間位置。根據網目的結構特點，目腳兩端的集中質量點形狀為圓形，其水動力系數在各運動方向上是恒定的；因目腳可以看作為圓柱形桿件，故設于目腳中間的集中質量點應該具有圓柱桿件的水動力特性，其水動力系數具有方向性。綜合考慮計算效率和精度，采用8個集中質量點模擬一個網目，增加集中質量點的數目對于提高精度效果有限，但是會極大地降低計算效率。通過求解各集中質量點的運動微分方程，可以獲得各個質量點的位移，最終得到網衣的運動和變形。

圖1 網衣集中質量點模型

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

式中，FT是網線的張力；l0是網線的初始長度；l是網線變形之后的長度；d是網線的直徑；C1和C2是材料的彈性常數。

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

圖2 網目目腳局部坐標示意圖

式中，CDτ表示τ方向的拖曳力系數；D是目腳直徑；l是目腳長度；Vτ和Uτ分別為水質點和網衣集中質量點在τ方向的速度分量；類似的表達式能夠用來計算拖曳力在η和ξ軸的分量（FDη，FDξ）。

1.2.2 網衣運動方程

根據牛頓第二定律，集中質量點的運動微分方程如下所示。

式中，FD和FI分別為作用在網衣上的拖曳力與慣性力；R是集中質量點的位移；FT是網衣目腳的張力；B是網衣浮力；W是網衣重力。

1.3 取水明渠攔截設施布置

本文針對嶺澳核電站的流場進行分析，通過對取水明渠內部的流線進行統計分析，獲得明渠內部海生物堵塞分布特征。嶺澳取水明渠流場分析的數值模型如圖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置如圖4所示，兩側邊坡的坡度為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格布置，計算模型采用兩相流進行模擬，流場計算模型的水底垂向坐標值為0 m，在液面附近和樁基附近對網格進行了加密。如圖6所示，取水明渠包含四道攔截設施，第一道攔截設施為平面網，第二道攔截設施為樁基式網兜，第三道攔截設施為全斷面式網兜，第四道攔截設施為兜底網。

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值模型網格設置

圖6 取水明渠攔截設施布置

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

圖7 樁基式平面網衣數值模型

2 明渠攔污網水動力特性分析

分析取水明渠的流場分布，并基于流線的統計分析獲得海生物堵塞分布特征，采用網衣的結構動力響應計算模型分析網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施，并且受到岸線的影響，取水明渠內部流場十分復雜。圖8給出了攔截設施安裝前、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，結果表明：在防波堤左側封閉水域流速較小，流體幾乎靜止不動；而防波堤的右側，流速明顯大于防波堤左側的流速，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；攔截設施樁基對水流的影響主要局限于樁基尾部，對于遠端流速的影響有限，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，其右側偏下游位置的流速有所增加。攔截設施安裝前后取水明渠的流場無顯著變化，明渠流場特征不會因為攔截設施的安裝而發生顯著變化。

圖8 明渠水平橫截面流場，左側為空水渠/右側為布置攔截設施（單位：m/s）

2.2 堵塞物分布統計

攔截網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，對每個水平截面進行分段，獲得水平截面的分段流線統計結果，進而獲得攔截設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計結果進行平均，獲得整個橫截面不同分段的流線統計特征，表征堵塞物的分布。嶺澳取水明渠第一道攔截設施和第二道攔截設施距離較近，選取同一個斷面進行分析。取水明渠的三個橫截面位置如圖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個區段用于統計堵塞海生物的分布，橫截面2和橫截面3相對較窄，分別分為6個區段和5個區段。在明渠入口均布50條流線，由于流場不均勻性，流線密度會發生變化，每個區段內有不同數量的流線，用單區段流線數除以總條數50，作為此水深區段堵塞物占據整個橫截面內的百分比；最后，4種水深下每個區段百分比的平均值，作為該區段堵塞海生物分布的特征值。

圖10 取水明渠流線統計區段布置示意圖（單位：m/s）

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

表1 橫截面1的堵塞海生物分布統計特征值

表3 橫截面3的堵塞海生物分布統計特征值

2.3 網衣寬度的影響

分析網衣寬度對平面攔污網系泊纜力的影響，構建樁基承受的拉力與攔截設施寬度之間的關系。計算工況見表4，流速采用均勻流速，為9.2 cm/s。

表4 樁基式平面網安全分析計算工況

表2 橫截面2的堵塞海生物分布統計特征值

圖11給出了不同寬度平面網衣的張力，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的平面網衣最大張力分別為0.7 N、1.1 N和2.0 N，平面網衣最大張力與網衣寬度呈線性關系。為了提高攔污網的安全性，建議在網衣張力較大的區域，增加網衣的線徑或者布置更密的網綱，以提高網衣的安全性。

圖11 不同寬度的平面網衣張力分布（單位：N）

表5給出了不同寬度平面網衣的側部系泊纜繩張力分布，側部纜繩最大張力顯著大于底部纜繩最大張力。結果表明：隨著平面網衣寬度的增加，側部主纜繩（1號纜繩）的最大張力也顯著增加；側部主纜繩（1號纜繩）的最大張力與平面網衣寬度之間呈線性關系，平面網衣寬度增加會導致樁基受到的拉力線性增加。

表5 不同寬度的平面網衣的側部纜繩力單位：N

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

表6 不同寬度的平面網衣的底部纜繩力單位：N

3 結 論

采用多孔介質模型和集中質量法構建了取水明渠攔截設施周圍流場及其張力響應分析的數值模型，結果表明：攔截設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因攔截設施的布置而發生顯著變化。取水明渠攔截設施橫截面處海生物堵塞存在顯著的不均勻性，這將影響到攔截設施張力分布特征。攔截設施及其系泊纜繩最大張力與網衣寬度呈線性關系，隨著寬度的增加而線性增加。建議在網衣拉力較大的區域增加網線線徑或加密網綱，以提高平面攔污網的安全性。