輸油臂風(fēng)載的數(shù)值模擬分析

黃衛(wèi)東，王利民，黃立亞，韓會林

(連云港遠洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇連云港222062)

0 引言

碼頭作業(yè)過程中的船用輸油臂，主要是用來裝卸油船及化工船舶的中間設(shè)備［1］。由于輸油臂主要是在碼頭上作業(yè)，因此在輸油臂設(shè)計制造過程中必需要考慮強風(fēng)載荷的影響。而在國內(nèi)外還沒有輸油臂風(fēng)洞實驗的數(shù)據(jù)，這主要是由于輸油臂整體結(jié)構(gòu)龐大和風(fēng)洞實驗費用過高所致。鑒此，本文采用計算流體動力學(xué)的數(shù)值方法對輸油臂進行風(fēng)洞實驗?zāi)M分析。

文中采用國內(nèi)廣泛應(yīng)用的指數(shù)風(fēng)剖面函數(shù)確定平均風(fēng)沿高度的變化規(guī)律［2］，

式(1)中:z0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度和標(biāo)高處的平均風(fēng)速；z、(z)為任意高度和此高度處的平均風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)。按照我國標(biāo)準(zhǔn)參考高度取z0為10m。計算中平均風(fēng)速選取55m/s的強風(fēng)，地面粗糙度α按照我國載荷規(guī)范［3-4］和起重機設(shè)計手冊［5］中的分類:有一定結(jié)構(gòu)物的港口碼頭、堆場、船廠和建筑工地等地貌取值為0.15。所得風(fēng)速沿高度變化規(guī)律如圖1所示。后面將采用此風(fēng)速變化規(guī)律作為入口風(fēng)進行計算。

圖1 風(fēng)速沿高度分布規(guī)律

1 數(shù)值方法

風(fēng)載數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)是流體動力學(xué)的數(shù)值算法，它是用一組偏微分方程描述流體在空間的運動情況。描述空氣繞物體運動的基本方程有［6］:

連續(xù)方程

N-S方程

動量方程

式(2)(3)(4)中，ρ為流體密度，uj為流體速度張量，xi為空間坐標(biāo)，p為壓強，F(xiàn)i為單位質(zhì)量的體積力。

當(dāng)前工程上廣泛應(yīng)用的模擬方法仍是基于Reynolds時均方程的湍流模型，該模型是將Reynolds時均方程中的高階未知關(guān)聯(lián)項用時均量或者低階關(guān)聯(lián)項表達，進而使Reynolds時均方程封閉得以求解。本文采用渦粘模型中RNGk-ε模型計算，此模型可以較好的模擬高應(yīng)變率和流線大程度彎曲的流體運動。在計算過程中采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)修正k-ε湍流模型，以模擬近壁區(qū)域流體復(fù)雜的運動情況。

2 數(shù)值建模

用Pro/E建立與RC06H-0.5/15M12022輸油臂等尺寸的模型如圖2所示，為了節(jié)省計算時間，建模時略去了輸油臂上對計算影響很小的一些零件。輸油臂高13m、寬約2m，置于50m×30m×20m的計算區(qū)域中，如圖3所示。把Pro/E建好的模型導(dǎo)入Hypermesh中進行用于流體計算的網(wǎng)格劃分，對輸油臂及部件緊湊區(qū)域的網(wǎng)格細化，得到共約260萬個單元，結(jié)果如圖4所示。

圖2 輸油臂模型

圖3 風(fēng)洞模型

圖4 網(wǎng)格剖面圖

3 計算結(jié)果

經(jīng)Hypermesh劃好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Acuconsole中定義邊界條件，調(diào)用Acusolve求解器求解。計算得到輸油臂上風(fēng)壓分布規(guī)律見圖5。從圖5中可明顯看出，迎風(fēng)面支承方箱上部所受風(fēng)壓比較大，而輸油臂下部圓柱形立柱所受風(fēng)壓相對來說比較小，在整個背風(fēng)面上風(fēng)壓都很小甚至出現(xiàn)了負壓強區(qū)域；圖6和圖7分別是豎直和水平剖面上的速度分布，從圖中可知，由于輸油臂的阻礙風(fēng)速在接近輸油臂時突然變小，氣流向邊緣擠壓風(fēng)速變大，同時在輸油臂背風(fēng)面形成了多個漩渦消耗了大量的風(fēng)能，在輸油臂的背風(fēng)面形成了負壓強區(qū)域。

圖5 風(fēng)壓分布云圖

為研究不同風(fēng)向?qū)Y(jié)果的影響，規(guī)定風(fēng)向垂直支承箱寬面時風(fēng)向角φ為0°，并以此為基準(zhǔn)沿立柱軸線方向順時針、逆時針以20°增量轉(zhuǎn)動輸油臂得到模型分別計算，用以考慮風(fēng)向角的影響，如圖8所示。所有計算工況的入口風(fēng)速按圖1所示規(guī)律定義，出口邊界條件設(shè)定相對于外部大氣壓增量為0，輸油臂外表面及計算區(qū)域的各側(cè)墻采用無滑移的壁面條件。

圖6 豎直剖面速度分布規(guī)律

圖7 水平剖面速度分布規(guī)律

圖8 風(fēng)向角示意圖

對作用在輸油臂上不同風(fēng)向角的風(fēng)壓積分得到輸油臂在各風(fēng)向角下所受的風(fēng)載荷，其變化規(guī)律如圖9所示。圖9的計算結(jié)果表明，在風(fēng)向角為0°時輸油臂所受風(fēng)載最大為24.5kN，這與按輸油臂設(shè)計規(guī)范計算的25.3kN相吻合，并且隨著風(fēng)向角增大，輸油臂所受的風(fēng)載荷逐漸減小。當(dāng)風(fēng)向角為±80°時輸油臂所受風(fēng)載荷將近減小一半。若對一個碼頭的強風(fēng)記錄進行分析，因此，在安裝輸油臂時可以考慮此因素確定安裝輸油臂的方位。

圖9 風(fēng)載荷隨風(fēng)向角的變化規(guī)律

根據(jù)風(fēng)壓在支撐箱上的分布規(guī)律(圖5)可知風(fēng)壓在支承方箱的上部中間部分比較大，因此設(shè)計時可將此部分挖空改為桁架結(jié)構(gòu)得到模型如圖10(a)所示。同樣條件下計算所得風(fēng)壓分布云圖如圖10(b)所示，此桁架式輸油臂在風(fēng)向角φ為0°時所受風(fēng)載荷為17.6kN，僅為箱式輸油臂的70%。關(guān)于桁架式輸油臂整體強度、剛度等問題已經(jīng)做過專門的分析且已投入生產(chǎn)，本文不做詳細描述。

圖10 桁架式輸油臂模型及風(fēng)壓分布規(guī)律

4 結(jié)論

通過計算流體動力學(xué)軟件Acusolve模擬了輸油臂的風(fēng)洞實驗，討論了風(fēng)壓在輸油臂上的分布規(guī)律。并對不同風(fēng)向角作用下的輸油臂所受風(fēng)載進行計算，得到風(fēng)向角為0°時輸油臂所受風(fēng)載荷最大。通過研究風(fēng)壓的分布規(guī)律，將支承方箱進行合理的改進為桁架式，使輸油臂在強風(fēng)作用下所受風(fēng)載荷大大減小。同時通過探討風(fēng)向角對輸油臂所受風(fēng)載大小的影響因素，為輸油臂的安裝方位提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。

［1］液體裝卸臂工程技術(shù)要求(HG/T21608-2012)［S］.中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2012.

［2］朱航，等.梯度風(fēng)作用下HYSY-981半潛式平臺風(fēng)載荷與表面分壓分布研究［J］.中國海上油氣，2010，4(22):270-274.

［3］張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計算手冊［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1990.

［4］建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001)［S］.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001.

［5］張質(zhì)文，等.起重機設(shè)計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［6］景思睿，張鳴遠.流體力學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2006.