Кашарина Татьяна Петровна

ООО «Импульс»
Имитационное
моделирование элементов
конструкций мобильной
деривационной микроГЭС
346400, Россия,
Ростовская обл.,
г. Новочеркасск,
ул. Клубная, 9/62,
Тел./факс (8635)22-76-06
email: [email protected]
web site: www.don-tech.ru
Г лавный научный сотрудник
OOO «Импульс»,
проф., д.т.н. Кашарина Т.П.
При выполнении соглашения № 14.579.21.0029 с Министерством
образования и науки Российской Федерации авторами в зависимости от
природно-климатических и экономических условий определено 1500
мест установки сезонно-действующих мобильных деривационных
микроГЭС (МСДД микроГЭС) для горных условий автономной Республики
Крым, регионов Северного Кавказа, Сибири и Дальнего Востока.
Также
создано
новое
техническое
решение
мобильных
деривационных микроГЭС (заявка на изобретение №2015106761) и
согласно 2-му этапу «Разработка физической модели мобильной
деривационной микроГЭС», выполнено имитационное моделирование
её элементов на основе теоретических положений и численных методов.
2
Мобильная деривационная микроГЭС с составным
деривационным водоводом из композитных материалов (заявка
на изобретение №2015106761)
а-секция деривационного водовода; б –план и
разрез мобильной деривационной микроГЭС; в,
г - крепление водовода посредством вантовой
системы;
1-мягкий двухкамерный водовод; 2водопроводящие секции; 3-гибкие связи; 4внешняя оболочка; 5- внутренние оболочки; 6покрытие из композитных (нано)материалов; 7 гибкие связи; 8- вантовые системы; 9-опоры; 10обечайки; 12-дополнительные растяжки; 13отвод воды для водоснабжения; 14-компенсатор;
15-гидроагрегат; 16 - устройства для гашения
гидравлического удара и мониторинга
технического состояния; 17- здание; 18 –
диффузор; 19 - низовой бассейн; 20- сифонный
водозабор; 21 – грунтоармированная подпорная
стенка.
3
Состав МСДД микроГЭС
Головной гидроузел
Деривационный водовод
и сооружения по его
трассе
Сооружения
инженерной защиты
• водохранилище
• водозаборные сооружения
• Водопроводящие сооружения
• Регулирующие сооружения
• Устройства гашения гидравлического удара
•
•
•
•
Системы дренажа
Ливнеотводящие лотки
Подпорные стены
Улавливающие сетки
4
Расчетная схема грунтоармированного
водоподпорного сооружения
l1
l2
0
0
N 0  N1  N 2   2b1  m1  f1    z  dl   2b2  m 2  f 2    z  dl 
 2  h  (b1m1  f1  lа1  b2 m2  f 2  lа 2 ),
5
Имитационное моделирование грунтоармированной
оболочки
Начальная форма оболочки
Форма оболочки при
высоте засыпки 0,6 м
Распределение
напряжений в оболочке
Пример применения
грунтоармированных оболочек
Исходные
данные
для
имитационного
моделирования
грунтонаполняемой оболочки: ткань - ТК-200; грунт - уплотненный песок.
Максимальные перемещения составили 161,3 мм.
В результате сравнения численного моделирования и аналитического
метода расчёта, выявлена достоверность в пределах 12-15%.
А
также
было
выполнено
имитационное
моделирование
грунтоармированной оболочки при высоте засыпки 1,1 м, при различных
углах закрепления.
6
Имитационное моделирование грунтоармированной
оболочки
Начальная форма
оболочки
Форма оболочки при
высоте засыпки 1,1 м
Распределение
напряжений в оболочке
Исходные данные для имитационного моделирования грунтонаполняемой оболочки: ткань - ТК-200; грунт уплотненный песок.
Максимальные перемещения составили 239,9 мм.
7
Аналитические зависимости для
определения формообразования гибкого
деривационного водовода
При построении очертания нижней нити с помощью уравнений (1), (2), параметру φ нужно давать значения в пределах
0    а1
k1  1
k1  1 форма нижней нити будет представлять собой эластику второго рода, а при
– эластику первого рода.
Для верхней нити принимаем координатную систему x2O2 y 2
. Параметрические уравнения верхней эластики:
y 2  h2  1  k 22 sin 2   1  k 22   1



;
(3)


x2  h2 1  k 22 2 F   2 , k 2   F  , k 2    E   2 , k 2   E  , k 2  
где x2 и
y 2 – координаты точки верхней нити, м;
1  k 22
(4)
– расстояние наиболее удаленной точки верхней нити, м;
h2
–модуль эллиптического интеграла (модуль эластики), k22  4N2 h22  4N2
N 2 – натяжение верхней нити, кН/м;
.
 2 – угол между касательной к нити и осью x 2 Координаты опорной точки: a 2     a2a  2
k2
;
y 2 a  h2 

1  k
2
2

sin 2 a 2 1  k 22  1



x2a  h2 1  k 22 2  E1   2 ,k 2   E1  a 2 ,k 2   E2   2 ,k 2   E2  a 2 ,k 2 
1  k 22 ;
Учитывая геометрический смысл параметров, легко заметить, что в общем случае, когда контур поперечного сечения в опорной
,
точке имеет перелом,
Форма поперечного сечения оболочки определяется совокупностью уравнений (1) - (4). C учетом условия условия сопряжения
двух нитей:
Площадь поперечного сечения оболочки, ограниченной двумя нитями (осью стенки), в случае плавного контура, определяется по формуле:


  k12h12  k 22h22 1  k 22  sin 2a 2
8
Изменения напряженно-деформированного состояния мягкой
оболочки гибкого водовода с периметром L=0,4 м в
зависимости от внутреннего избыточного давления в
оболочке
от 9,81 до 490,5 кПа
для однокамерной оболочки
для двухкамерной
9
Порядок расчета динамики потока в программном продукте
Ansys
1
2
3
• Создание 3-D модели в модуле Static Structural среды ANSYS Workbench
• Проверка формы при статическом состоянии.
• Моделирование контакта между оболочкой и основанием с помощью целевой
поверхности, являющейся основанием контактной поверхности, представляющей
собой оболочку.
• Граничное условие осуществляется ограничением перемещений основания по
всем направлениям.
• Сравнения полученных по аналитическим зависимостям данных и результатам
численного моделирования были удовлетворительными,
• Отклонение по горизонтальной вертикальной проекции поперечного сечения
оболочки для однооболочкового водовода составило менее 8%, а
двухоболочкового менее 12%.
• С помощью модуля Fluid CFX были рассчитаны скорость и гидродинамическое
давление на стенки однооболочкового и двухоболочкового водовода.
• Далее повторно применены как внешние нагрузки в модуле Static Structural для
определения деформаций, в том числе связанных с поперечным кручением
водовода.
10
Численное моделирование участка деривационного водовода в
программе Ansys длиной 30 м и наклоной поверхности вдоль его
трассы 30º
однооболочковый
двухоболочковый
11
Динамика потока в деривационном водоводе
однооболочковый
двухоболочковый
12
Заключение
Проведённое имитационное моделирование позволило определить:
• гидравлические параметры деривационного водовода;
• прочностные свойства материала;
• оптимальные параметры грунтоармированных и грунтонаполняемых
оболочек
с
учётом
формообразования
и
напряженнодеформированного состояния.
Для подтверждения результатов имитационного моделирования
будут проведены экспериментальные исследования на физической
модели мобильной деривационной микроГЭС.
13
Спасибо за внимание!
14