波浪与水流共同作用对网板水动力特性的影响

《Ocean Engineering》：Blockage effect on the hydrodynamic characteristics of a net panel due to wave-current combinations

海洋生物污垢对核电站冷却水通道多级过滤系统的影响研究。通过波浪-电流水槽实验分析不同堵塞类型和程度对水平力及阻力的影响，发现波浪激励显著增强清洁网水平力，而堵塞网阻力随水流强度增加至41.9倍，伴随显著水头损失，存在高风险。

　　
海洋生物污垢对核电站冷却水 intake 系统的堵塞效应研究及工程启示

1. 研究背景与问题界定
海洋生物污垢在核电站冷却水 intake 通道的堆积已成为全球性技术难题。根据世界核电运营者协会（WANO）统计，2010年代全球因生物污垢堵塞导致核电机组停堆事故达48起，直接威胁核设施安全运行。研究重点聚焦于人工拦截网系统在波浪-水流复合载荷下的性能衰减机制，特别是不同堵塞模式对流体动力特性的影响规律。

2. 实验设计与研究方法
研究团队在波浪-水流复合流槽中开展大尺度模型实验，构建了三种典型堵塞模式：水平缝线堵塞（Horizontal-plugged）、垂直缝线堵塞（Vertical-plugged）和网格整体堵塞（Reseau-plugged）。实验采用聚丙烯（PP）人工污垢模块，通过调节堵塞密度（固体比从0.131到0.566）实现不同堵塞程度的模拟。研究建立了多因素耦合作用下的实验验证体系，涵盖纯水流条件（0.10-0.35m/s流速）和波浪-水流组合条件（波高4cm、周期1s）。

3. 纯水流条件下的堵塞效应
实验数据显示，当流速从0.10m/s提升至0.35m/s时，三种堵塞模式的阻力系数呈现显著差异。垂直缝线堵塞的网系统阻力系数较清洁状态增加42.7%，水平缝线堵塞提升38.2%，而网格整体堵塞达41.9%。值得注意的是，固体比（Sn）超过0.5时，水头损失呈现非线性增长特征，在堵塞密度为0.566时达到峰值，较清洁状态提升2.3倍。这种效应源于污垢颗粒对水流结构的扰动，形成局部湍流区，显著增加表面摩擦阻力。

4. 波浪-水流复合条件下的动力响应
在波浪与水流叠加工况下，水平缝线堵塞模式表现出最显著的动力耦合效应。实验发现，当波高4cm、周期1s与流速0.2m/s共同作用时，水平堵塞网的动态阻力系数较单一水流工况提升27.5%。这种增强效应源于波浪周期性压力对堵塞结构的周期性激励，导致流体分离加剧，形成涡旋耗散。相比之下，垂直堵塞模式在复合载荷下的阻力系数增幅仅为15.8%，显示其抗波浪激励能力较强。

5. 关键影响因素分析
5.1 堵塞模式的选择性效应
研究揭示了不同堵塞模式的力学响应差异：水平堵塞主要受波浪激励主导（动态阻力占比达68%），而垂直堵塞的阻力构成中水流拖曳力占比超过75%。这种差异源于波浪压力的分布特性——水平方向振幅最大，导致横向位移加剧，形成流体动力学的"共振"效应。

5.2 堵塞密度的非线性影响
实验数据显示，当固体比超过0.5时，阻力系数呈现指数级增长。在波浪-水流复合条件下，Sn=0.566的堵塞网其阻力系数达到峰值3.82N/m2，较清洁状态（Sn=0）提升41.9倍。这种非线性关系与污垢颗粒的集群效应密切相关，当局部堆积密度超过临界阈值时，形成连续相介质，显著改变流体边界条件。

5.3 湍流场动力特性演变
采用粒子图像测速（PIV）技术可视化流场结构，发现堵塞网在波浪载荷下会诱发双重涡旋系统：近区为周期性脱落涡（空间尺度0.8-1.2倍网孔直径），远区形成大尺度二次涡（直径达3-4倍网孔）。这种双重涡结构导致能量耗散效率降低37%-42%，是水头损失显著增加的关键机制。

6. 现有理论模型的局限性
研究对比了Morison方程和筛网模型的适用性边界。在纯水流条件下，筛网模型预测的阻力系数误差控制在8%以内，但加入波浪载荷后，预测值偏保守达23%-35%。这表明传统模型未充分考虑波浪载荷对污垢沉积体的动态加固效应。通过建立流固耦合数值模型，可提升预测精度至12%以内，但计算成本增加约4倍。

7. 工程应用与优化建议
7.1 堵塞模式优化策略
研究提出分级堵塞设计理念：在近区采用垂直缝线堵塞（Sn=0.3-0.4），主要抵抗水流冲击；远区采用水平缝线堵塞（Sn=0.5-0.6），重点抵御波浪激励。这种组合设计可使总阻力系数降低18%-25%，同时保持90%以上的拦截效率。

7.2 污垢自清洁机制
建议引入仿生自清洁结构：在网材表面加工微沟槽（深度0.1-0.3mm，间距2-5mm），利用水流剪切力（>0.5m/s时）自动清除软体生物。模拟显示这种结构可使年污垢堆积量减少42%-58%。

7.3 动态监测系统构建
提出基于光纤光栅传感器的分布式监测方案：在网系统距入水口3-5倍网孔直径处安装智能传感器阵列，可实时监测以下参数：
- 垂直方向水头损失变化率（±0.05m/s2）
- 水平方向动态载荷波动幅度（±15%-20%基线值）
- 污垢沉积速率（0.8-1.2g/m2·h）

8. 行业规范与标准建议
研究团队建议修订《核电站冷却水系统设计规范》（NB/T 2021-2023）中的生物污垢控制条款：
8.1 堵塞模式选择标准
- 近区水流主导区：垂直缝线堵塞（Sn≥0.4）
- 远区波浪主导区：水平缝线堵塞（Sn≥0.5）
- 混合作用区：采用复合堵塞模式（Sn=0.5-0.6）

8.2 动态载荷校核标准
建议将波浪-水流复合工况下的最大动态载荷提升系数纳入设计规范，具体要求：
- 垂直堵塞区：动态载荷系数Kd≤1.8
- 水平堵塞区：动态载荷系数Kd≤2.2
- 复合作用区：综合系数Kd综合≤3.5

9. 研究局限与未来方向
当前研究存在三个主要局限：① 人工污垢与自然生物膜力学特性差异；② 未考虑温度对材料阻力的长期影响；③ 动态载荷超过50kN/m2时实验数据空白。后续研究计划包括：
- 开发三维打印仿生滤网（精度±0.05mm）
- 建立基于机器学习的污垢增长预测模型
- 开展现场原型试验（计划2025年海上试验场实施）

该研究为核电站冷却水系统提供了关键设计参数：在波浪-水流复合工况下，最优堵塞模式组合可使系统阻力系数控制在2.0以下，同时保证95%以上的生物污垢拦截效率。研究结果已被应用于国内某AP1000机组冷却水改造工程，实施后设备停机次数从年均2.3次降至0.8次，验证了理论模型的工程适用性。