滨海核电站取水明渠拦污网水动力响应数值模拟研究

车淑平，王 辉，陈思远，许条建

（1.苏州热工研究院有限公司，深圳 518038；2.上海仪耐新材料科技有限公司，上海 201702；3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

核电站拦污网是核电站循环水系统的第1道拦污屏障，拦污网的设置、维护和稳定运行直接影响到电站的取水安全。拦污网作为一种柔性、多孔结构物，在波浪和水流作用下会产生超大变形、超大位移，其结构动力特性和破坏过程具有极强的非线性，柔性网衣结构的动力特性和安全评估已经成为国内外同行的研究热点和难点。

柔性网衣水动力特性研究是核电冷源拦截设施结构设计和安全使用的基础和依据，针对波流作用下柔性网衣的水动力特性，国内外学者开展了大量的研究工作。TSUKROV I等[1]和SWIFT M R等[2]通过数值模拟和物理模型实验研究了网衣在波浪和水流作用下的动力响应，分析了网衣上的附着生物对其受力的影响，TSUKROV I等[3]进一步添加非线性结构单元对其数值模型进行了改进。TSUKROV I等[4]通过物理模型实验测量了不同类型的铜网衣的拖曳力，并给出了不同类型铜网衣法向拖曳力系数的经验公式。LADER P F等[5]运用超级单元法对网衣进行模拟，研究了柔性网衣在波浪和水流作用下的动力特性，并进一步分析了波高、周期、流速、浮架运动、底部沉子重量及网衣密实度对网衣水动力特性的影响。网衣布置在养殖水域之后，大量的海洋生物会粘附在网衣表面，导致网衣的密实度发生变化，GANSEL L C等[6-7]采用计算流体动力学数值模拟和物理模型实验研究了网衣密实度对网箱周围流场的影响。MOE H等[8]通过模型实验分析了强流作用下网衣密实度对网衣变形及其所受荷载的影响，研究表明当网衣密实度较小时，采用传统的Morison公式计算网衣的荷载是可行的，但是当网衣密实度较大时，需要开发新的模型计算网衣的荷载及变形。韩国、日本和法国等国家的学者对网衣水动力特性也进行了一定的研究，CHA B J等[9]通过物理模型实验测量了水流作用下铜网衣的拖曳力系数和升力系数，并通过PIV测试技术测量了铜网衣周围的流场特性。SHIMIZU H等[10]通过模型实验测量了平面网衣、半圆形网衣和圆形网衣的拖曳力，分析了水流冲击角对细密网衣拖曳力的影响。TAKASHI S等[11-12]开发了一套网衣形状和荷载分析系统，并将其成功地应用于张网和刺网的水动力响应研究。O′NEIL F G等[13]采用两种数值模型分析了网衣的变形，并将数值模拟结果与解析解对比，验证了其数值模型的有效性。

国内柔性网衣水动力的研究水平较国外有一定差距，但仍有许多的学者在网衣水动力特性方面做了大量的研究工作。LIU L L等[14]通过物理模型实验分析了强迫振动条件下柔性网衣的水动力特性，计算了网衣结构的拖曳力系数和惯性力系数。赵云鹏等[15]采用多孔介质模型分析了平面网衣周围的流场特性，并采用物理模型实验对其数值模型进行了验证。TANG H等[16]实验研究了不同流速和冲击角条件下网衣的水动力特性，并分析了结节类型对网衣水动力的影响。ZHAN J M等[17]通过模型实验研究了雷诺数、网衣密实度、网格类型和水流方向对网衣的拖曳力的影响。宋伟华等[18]分析了波浪经过网衣后的特征，研究了网衣的波浪力和波浪透射系数与波浪参数、网衣特征参数的关系。XU T J等[19]、TANG M F等[20]、DONG G H等[21]针对波浪和水流作用下网衣结构的水动力开展了系统研究，分析了网衣材料、结节类型、网衣密实度等参数对网衣结构水动力特性的影响。刘彦等[22]对拦污网泥沙附网机理进行了研究，分析了网衣孔径大小、水流流速等因素对泥沙附网效应的影响。黄宣军等[23]通过物理模型实验研究了不同堵塞率条件下拦污网主缆绳的受力特性。WU Q J等[24]对滨海核电站取水口冷源过滤系统安全设计存在的问题进行了梳理，并对取水明渠的平面布置进行了优化。

综上可知，大量的学者针对柔性网衣的水动力特性开展了数值模拟和物理模型实验研究，但是针对拦污网的张力分布还未见相关报道，而核电站拦污网的张力分布是拦污网安全设计的重要基础。本文将通过数值模拟的方法分析取水明渠海生物堵塞分布特征，并对拦污网及其锚绳系统的张力分布进行研究，分析拦污网的宽度对其张力分布的影响，相关研究工作将为核电站拦污网的安全设计提供重要参考。

1 网衣数值模型

取水明渠拦污网是一种柔性多孔结构物，在海洋环境荷载作用下，会产生大的变形，本文将采用集中质量点的方法建立网衣的数值模型，并利用计算流体动力学方法构建取水明渠的流场模型，基于取水明渠流场模型计算得到取水明渠流速分布，计算网衣在水流作用下的变形和受力，进一步计算获得系泊缆绳的受力。

1.1 取水明渠流场模型

采用多孔介质模型对网衣的阻流效果进行模拟，从而实现拦截设施周围流场的有效模拟。

1.1.1 控制方程

采用连续性方程和动量方程描述水流作用下网衣周围流体的运动，连续性方程如下。

式中，t为时间；ρ为流体的密度；μ为流体的动力粘度；μt为涡流粘度；P=p+（2/3）ρk，p为压力，k是湍动能；ui、uj为流体速度分量的时均值；gi为重力加速度；i、j=1，2，3；x、y、z表示坐标分量；Si是动量方程源项。

湍流模型采用Realizablek-ε模型，关于湍动能k的方程如下。

式中，Gk是由平均速度梯度产生的湍流动能；Gb是由浮力产生的湍流动能；YM表示可压缩湍流中脉动扩散分布的整体耗散率；C2、C1ε为常量；σk、σε为k方程和ε方程的普朗特数；Sk和Sε为用户自定义的源项。

1.1.2 多孔介质模型

通过合理地设置多孔介质系数，可使得多孔介质具有与网衣相同的阻流效果。当水流通过多孔介质区域时，压力梯度具有如下的形式。

式中，a、b为常数；u为流速矢量。

在多孔介质边界外的流体区域，动量方程的源项Si=0；而在多孔介质内，源项Si形式如下。

式中，Cij为多孔介质系数矩阵；Cn表示法向阻力系数；Ct表示切向阻力系数。

1.2 网衣结构模型

取水明渠拦污网是一种柔性多孔结构物，在海洋环境荷载作用下，会产生大的变形，本文将采用集中质量点的方法建立网衣的数值模型，计算网衣在水流作用下的变形和受力，进一步计算获得系泊缆绳的受力。直接对拦污网进行数值模拟，需要设置的集中质量点数非常多，需要大量的内存和计算时间，为了提高计算效率，采用网目群化的方法对网衣进行模拟。网目群化的方法是利用等效网衣来模拟实际的网衣，将多个小网目用一个较大的网目进行模拟。等效网衣与实际网衣有相同的物理性质，包括网衣的迎流面积和网衣的质量等。

1.2.1 网衣受力分析

如图1所示，网衣被简化为一系列由无质量弹簧连接的集中质量点[25]，集中质量点位于网目目脚的两端和中间位置。根据网目的结构特点，目脚两端的集中质量点形状为圆形，其水动力系数在各运动方向上是恒定的；因目脚可以看作为圆柱形杆件，故设于目脚中间的集中质量点应该具有圆柱杆件的水动力特性，其水动力系数具有方向性。综合考虑计算效率和精度，采用8个集中质量点模拟一个网目，增加集中质量点的数目对于提高精度效果有限，但是会极大地降低计算效率。通过求解各集中质量点的运动微分方程，可以获得各个质量点的位移，最终得到网衣的运动和变形。

图1 网衣集中质量点模型

假定网衣的网线绝对柔软，只能承受拉伸张力，因此，只考虑网线的拉伸刚度，忽略其抗弯刚度。基于Wilson的研究，网线受到的张力与伸长率之间的关系式如下。

式中，FT是网线的张力；l0是网线的初始长度；l是网线变形之后的长度；d是网线的直径；C1和C2是材料的弹性常数。

如图2所示，在目脚上建立一个坐标系O-τηξ，用于考虑目脚的受力方向，坐标系的原点位于目脚的中心，η轴位于τ轴和速度V所组成的平面内。采用Morison公式计算目脚受到的水动力，然后将目脚受到的水动力均匀地分配到与之相连的集中质量点。

图2 网目目脚局部坐标示意图

式中，CDτ表示τ方向的拖曳力系数；D是目脚直径；l是目脚长度；Vτ和Uτ分别为水质点和网衣集中质量点在τ方向的速度分量；类似的表达式能够用来计算拖曳力在η和ξ轴的分量（FDη，FDξ）。

1.2.2 网衣运动方程

根据牛顿第二定律，集中质量点的运动微分方程如下所示。

式中，FD和FI分别为作用在网衣上的拖曳力与惯性力；R是集中质量点的位移；FT是网衣目脚的张力；B是网衣浮力；W是网衣重力。

1.3 取水明渠拦截设施布置

本文针对岭澳核电站的流场进行分析，通过对取水明渠内部的流线进行统计分析，获得明渠内部海生物堵塞分布特征。岭澳取水明渠流场分析的数值模型如图3所示，在边界入口处采用压力入口边界，在取水口采用速度出口边界，取水口1和取水口2的取水流量分别为95.4 m3/s和134.26 m3/s。取水明渠的横截面设置如图4所示，两侧边坡的坡度为1∶1.5，取水明渠的水深为6.82 m。图5给出了岭澳核电站取水明渠流场分析的网格布置，计算模型采用两相流进行模拟，流场计算模型的水底垂向坐标值为0 m，在液面附近和桩基附近对网格进行了加密。如图6所示，取水明渠包含四道拦截设施，第一道拦截设施为平面网，第二道拦截设施为桩基式网兜，第三道拦截设施为全断面式网兜，第四道拦截设施为兜底网。

图3 岭澳核电站取水明渠平面尺寸（单位：m）

图4 岭澳核电站取水明渠边坡尺寸（单位：m）

图5 岭澳核电站取水明渠数值模型网格设置

图6 取水明渠拦截设施布置

如图7所示，取水明渠的平面拦污网通过桩基进行固定，桩基式平面网衣高10.5 m，水深6.82 m，网目边长为50 mm×50 mm，线径3.5 mm。为了方便对系泊缆绳力进行说明，对系泊缆绳进行编号，缆绳1—10为侧部锚绳，缆绳11—17为底部锚绳。

图7 桩基式平面网衣数值模型

2 明渠拦污网水动力特性分析

分析取水明渠的流场分布，并基于流线的统计分析获得海生物堵塞分布特征，采用网衣的结构动力响应计算模型分析网衣宽度对其张力的影响。

2.1 取水明渠流场特征

取水明渠布置了拦截设施，并且受到岸线的影响，取水明渠内部流场十分复杂。图8给出了拦截设施安装前、后取水明渠水平横截面的流场分布，h为水平横截面至静水面的距离，结果表明：在防波堤左侧封闭水域流速较小，流体几乎静止不动；而防波堤的右侧，流速明显大于防波堤左侧的流速，并且随着明渠宽度的缩小流速逐渐增加，最大流速相较于口门处流速增加4.1倍；拦截设施桩基对水流的影响主要局限于桩基尾部，对于远端流速的影响有限，桩基下游30 m处流速将不受其影响。不同深度水平面的流速分布较为接近，流速沿垂直方向分布较为均匀。由于防波堤处于分流且明渠宽度减少的位置，其右侧偏下游位置的流速有所增加。拦截设施安装前后取水明渠的流场无显著变化，明渠流场特征不会因为拦截设施的安装而发生显著变化。

图8 明渠水平横截面流场，左侧为空水渠/右侧为布置拦截设施（单位：m/s）

2.2 堵塞物分布统计

拦截网堵塞的海生物游泳能力较弱，其分布特征主要受到流速和流向的影响，因此，本文基于流线的密集程度来分析堵塞物的分布特征。具体方法如下：选取不同深度的水平截面，对每个水平截面进行分段，获得水平截面的分段流线统计结果，进而获得拦截设施所在横截面的流线分布特征。将不同深度的水平截面流线统计结果进行平均，获得整个横截面不同分段的流线统计特征，表征堵塞物的分布。岭澳取水明渠第一道拦截设施和第二道拦截设施距离较近，选取同一个断面进行分析。取水明渠的三个横截面位置如图9所示。

图9 取水明渠流线分析横截面分布

取水明渠不同深度（h=2.0 m、4.0 m、6.0 m和6.8 m）的水平横截面的分段情况见图10。横截面1较宽，均分为12个区段用于统计堵塞海生物的分布，横截面2和横截面3相对较窄，分别分为6个区段和5个区段。在明渠入口均布50条流线，由于流场不均匀性，流线密度会发生变化，每个区段内有不同数量的流线，用单区段流线数除以总条数50，作为此水深区段堵塞物占据整个横截面内的百分比；最后，4种水深下每个区段百分比的平均值，作为该区段堵塞海生物分布的特征值。

图10 取水明渠流线统计区段布置示意图（单位：m/s）

岭澳取水明渠海生物堵塞分布统计特征值如表1~表3所示。结果表明：横截面1取水明渠右侧（J段、K段、L段）流线分布密集，说明此区段海生物堵塞比较严重；横截面2明渠两侧（A段和F段）流线分布较稀疏，中间区段（B段、C段、D段、E段）流线分布较密集，说明中间区段海生物堵塞严重；横截面3各区段流线分布较为接近，说明各区段发生海生物堵塞的情况相近。局部出现小范围的流速较大，堵塞较小的原因是该位置的高流速是由局部循环的涡引起的高流速。

表1 横截面1的堵塞海生物分布统计特征值

表3 横截面3的堵塞海生物分布统计特征值

2.3 网衣宽度的影响

分析网衣宽度对平面拦污网系泊缆力的影响，构建桩基承受的拉力与拦截设施宽度之间的关系。计算工况见表4，流速采用均匀流速，为9.2 cm/s。

表4 桩基式平面网安全分析计算工况

表2 横截面2的堵塞海生物分布统计特征值

图11给出了不同宽度平面网衣的张力，最大张力所在的位置随着宽度的不同而不同；宽度为15 m、18 m和24 m的平面网衣最大张力分别为0.7 N、1.1 N和2.0 N，平面网衣最大张力与网衣宽度呈线性关系。为了提高拦污网的安全性，建议在网衣张力较大的区域，增加网衣的线径或者布置更密的网纲，以提高网衣的安全性。

图11 不同宽度的平面网衣张力分布（单位：N）

表5给出了不同宽度平面网衣的侧部系泊缆绳张力分布，侧部缆绳最大张力显著大于底部缆绳最大张力。结果表明：随着平面网衣宽度的增加，侧部主缆绳（1号缆绳）的最大张力也显著增加；侧部主缆绳（1号缆绳）的最大张力与平面网衣宽度之间呈线性关系，平面网衣宽度增加会导致桩基受到的拉力线性增加。

表5 不同宽度的平面网衣的侧部缆绳力单位：N

表6给出了不同宽度的平面网衣底部系泊缆绳张力。底部系泊缆绳最大张力位置随着网衣宽度的变化而发生变化，底部缆绳的最大张力不会随着网衣宽度的增加而线性增加，主要原因是不同宽度条件下，网衣的张力分布不同。

表6 不同宽度的平面网衣的底部缆绳力单位：N

3 结 论

采用多孔介质模型和集中质量法构建了取水明渠拦截设施周围流场及其张力响应分析的数值模型，结果表明：拦截设施布置之后取水明渠流场无显著变化，取水明渠形状确定之后，明渠的流场特征不会因拦截设施的布置而发生显著变化。取水明渠拦截设施横截面处海生物堵塞存在显著的不均匀性，这将影响到拦截设施张力分布特征。拦截设施及其系泊缆绳最大张力与网衣宽度呈线性关系，随着宽度的增加而线性增加。建议在网衣拉力较大的区域增加网线线径或加密网纲，以提高平面拦污网的安全性。