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      風(fēng)載下塔式起重機(jī)在建筑物環(huán)境的安裝位置研究*

      2023-09-16 09:49:32
      起重運(yùn)輸機(jī)械 2023年17期
      關(guān)鍵詞:塔機(jī)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓

      王 毅

      南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 210031

      0 引言

      塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱塔機(jī))是建筑施工中的一種主要水平和垂直運(yùn)輸機(jī)械,其工作環(huán)境在室外,受自然風(fēng)荷載的影響較大。鈍體建筑物會(huì)改變主要風(fēng)向的流向,是低速不可壓縮的流,其周?chē)鲌?chǎng)復(fù)雜,有撞擊、分離、再附、環(huán)繞和渦旋等狀態(tài)。塔機(jī)安裝在建筑物附近,通過(guò)附墻裝置與建筑物連接在一起,其所在的風(fēng)場(chǎng)受建筑物影響,故研究建筑物環(huán)境下塔機(jī)的安裝位置對(duì)提高塔機(jī)的抗風(fēng)能力具有重要意義[1]。

      本文采用CFD 計(jì)算流體力學(xué),在Ansys CFX 中建立塔機(jī)風(fēng)場(chǎng)模型,研究在風(fēng)載建筑物環(huán)境下不同水平和垂直方向的安裝位置對(duì)塔機(jī)的影響。

      1 粘性流動(dòng)的基本方程

      粘性是流體的一種物理特性,反映了流體抵抗剪切變形的能力。由牛頓流體的內(nèi)摩擦定律可知,粘性應(yīng)力與粘度系數(shù)及速度梯度的關(guān)系為[2]

      式中:μ為粘度系數(shù)。

      塔機(jī)的工作環(huán)境處在大氣邊界層中,氣流在大氣邊界層中的流動(dòng)屬于湍流,為低速不可壓縮的粘性牛頓流體。任何流體的流動(dòng)都遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

      1.1 質(zhì)量守恒方程

      質(zhì)量守恒方程的定義是單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加量等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量,根據(jù)這一定律可得出其表達(dá)式為

      式中:ρ為密度,t為時(shí)間,μ、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向上的矢量。

      1.2 動(dòng)量守恒方程

      動(dòng)量守恒方程通常被稱為運(yùn)動(dòng)方程,該定律可表達(dá)為:在單位時(shí)間內(nèi)微元體內(nèi)流體動(dòng)量變化率等于作用在微元體的所有外力的和[50]。動(dòng)量方程的表達(dá)式為

      式中:ρ為流體微元體的壓力,τxx、τxy、τyz分別為分子粘性作用產(chǎn)生的微元體表面粘性力的分量,F(xiàn)x、Fy、Fz分別為微元體上的體力。

      1.3 能量守恒方程

      能量守恒定律描述為:控制微元體上能量的增加率為體力、面力對(duì)其所做的功與進(jìn)入其內(nèi)部的凈熱流量的總和[3]。該定律的方程表達(dá)式為

      式中:Cp為流體比熱容;T為溫度;k為流體傳熱系數(shù);ST為流體粘性耗散項(xiàng),主要指流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)由黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分。

      能量守恒方程雖為塔機(jī)風(fēng)場(chǎng)求解的基本控制方程之一,但本文所用流體為不可壓縮氣體,熱交換量較小可忽略不計(jì),所以數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)只需聯(lián)立動(dòng)量方程和質(zhì)量方程,無(wú)需考慮能量方程。

      2 構(gòu)建模型

      為精確模擬塔機(jī)在真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)載分布情況,按1:1 比例在Pro E 中建立簡(jiǎn)易QTZ5010 塔機(jī)的幾何模型,該模型省去了駕駛室、拉桿、法蘭、螺栓和回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)等部件,塔機(jī)簡(jiǎn)易模型如圖1 所示。塔機(jī)高度為35 m,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為1.4 m×1.4 m×2.4 m,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢選用□135×10 的方鋼,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)斜腹桿采用□60×4 方鋼,起重臂長(zhǎng)為28 m,上弦桿采用Φ80×8 的圓管,下弦桿采用□100×10 的方鋼,起重臂斜腹桿采用Φ60×4 的圓管。

      圖2 計(jì)算模型圖

      風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域設(shè)置為125 m×120 m×50 m。將塔機(jī)Pro E 模型保存為.iges 格式,將幾何模型導(dǎo)入Workbench 軟件設(shè)計(jì)模塊(DM),并構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)環(huán)境,建筑物[4]尺寸為8 m×8 m×20 m,將塔機(jī)放在計(jì)算域風(fēng)流動(dòng)方向三分之一處,計(jì)算模型圖如2 所示。網(wǎng)格采用ICEM CFD自動(dòng)劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.02 m以上,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3 668 152,網(wǎng)格單元總數(shù)量21 813 652,網(wǎng)格如圖3 所示。在計(jì)算域模型中,流體質(zhì)量密度(空氣)取值為1.29 kg/m3,粘度系數(shù)取1.79×10-5kg/(m·s)。

      圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

      3 塔機(jī)與單個(gè)建筑物水平位置關(guān)系

      建立圖4 所示塔機(jī)在有建筑物環(huán)境下的風(fēng)場(chǎng)模型。模擬塔機(jī)的A、B、C 等位置,其中A 處為正對(duì)建筑物中間位置,B 處偏離A 處2 m,C 處偏離B 處2 m,分別受到Wind +X(0°風(fēng)向角)、Wind +Y(90°風(fēng)向角)、Wind-X(180°風(fēng)向角)、Wind-Y(270°風(fēng)向角)等4 種風(fēng)向風(fēng)時(shí)風(fēng)壓分布、風(fēng)速、風(fēng)向、渦流分布和塔機(jī)根部?jī)A覆力矩的情況[5]。

      圖4 安裝位置示意圖

      3.1 Wind+X 風(fēng)向(0°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于A、B、C 等位置受Wind+X風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。表1 為塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表,圖5 所示為10 m 高度處的流場(chǎng)風(fēng)速云圖。

      表1 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖5 流場(chǎng)10 m 高度處的風(fēng)速云圖

      由圖5 可知,通過(guò)觀察速度云圖的顏色可以初步了解流體在不同位置的速度和,從而判斷流場(chǎng)的特征。A 位置的最大風(fēng)速為72.45 m/s,B 位置的最大風(fēng)速為72.56 m/s,C 位置的最大風(fēng)速為73.33 m/s;由此表明最大風(fēng)速VAmax<VBmax<VCmax,即在A 位置的最大風(fēng)速最小,B 位置次之,C 位置最大。

      由表1 可知,塔機(jī)受Wind +X風(fēng)向風(fēng)時(shí),其根部的傾覆力矩表現(xiàn)為MA<MB<MC,即在A 位置的傾覆力矩最小,B 位置次之,C 位置最大。最大壓力差C 位置最小,其次是A 位置,B 位置最大。因此,在受Wind+X風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)相對(duì)于建筑物,安裝在A 位置最合適。

      3.2 Wind+Y 風(fēng)向(90°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于A、B、C 等位置受Wind+Y風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。表2 為塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表,圖6 為流場(chǎng)中心面壓強(qiáng)云圖。

      表2 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖6 流場(chǎng)中心面壓強(qiáng)云圖

      由圖6 可知,不同顏色代表壓強(qiáng)大小值不同,紅色代表壓強(qiáng)值很大,A 位置最大風(fēng)壓為1.885×103Pa,最小風(fēng)壓為-3.215×103Pa;B 位置最大風(fēng)壓為1.782×103Pa,最小風(fēng)壓為-3.141×103 Pa;C 位置最大風(fēng)壓為1.825×103Pa,最小風(fēng)壓為-3.013×103Pa,即PBmax<PCmax<PAmax,表明最大壓力差在C 位置最小,其次是B 位置,A 位置最大。

      由表2 可知,塔機(jī)受Wind +Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩MC<MB<MA,即在C 位置最小,B 位置次之,A 位置最大;由此表明最大風(fēng)速VCmax<VBmax<VAmax,即在C 位置最小,B 位置次之,A 位置最大。因此,在受Wind +Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),A 位置弱于B、C 位置,但考慮到Wind +Y風(fēng)向(90°風(fēng)向角)與Wind-Y風(fēng)向(270°風(fēng)向角)的關(guān)聯(lián)性,需綜合分析。

      3.3 Wind-X 風(fēng)向(180°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于A、B、C 位置受Wind-X風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。圖7 為流場(chǎng)中心面風(fēng)速流線圖,表3 為塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表。

      表3 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖7 流場(chǎng)中心面風(fēng)速流線圖

      圖7 反映了空氣中氣流的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況,A 位置的最大風(fēng)速為67.11 m/s,B 位置的最大風(fēng)速為66.77 m/s,C 位置的最大風(fēng)速為67.82 m/s;由此表明最大風(fēng)速VBmax<VAmax<VCmax,即在B 位置最小,A 位置次之,C 位置最大。

      由表3 可知,在塔機(jī)受Wind-X風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩為MA<MB<MC,即在A 位置最小,B位置次之,C 位置最大。由此表明最大壓力差B 位置的最小,其次是C 位置,A 位置最大,但差別不大。因此,在受Wind-X風(fēng)向風(fēng)時(shí),C位置最差,A、B位置各有優(yōu)勢(shì)。

      3.4 Wind-Y 風(fēng)向(270°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于A、B、C 等位置受Wind-Y風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。表4 為塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表,圖8 為流場(chǎng)中心面速度云圖。

      表4 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖8 流場(chǎng)中心面速度云圖

      由圖8 可知,A 位置的最大風(fēng)速為72.05 m/s,B 位置的最大風(fēng)速為72.65 m/s,C 位置的最大風(fēng)速為73.07 m/s;由此表明最大風(fēng)速VBmax<VAmax<VCmax,即在A位置最小,B 位置次之,C 位置最大。

      由表4 可知,塔機(jī)受Wind -Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩MA<MB<MC,即在A 位置最小,B 位置次之,C 位置最大。由此表明最大壓力差A(yù) 位置的最小,其次是C 位置,B 位置最大。因此,在受Wind-Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),相對(duì)于建筑物塔機(jī)安裝在A 位置最合適。

      綜上所述,當(dāng)塔機(jī)安裝在相對(duì)于建筑物的A、B、C 等位置時(shí),分別受到Wind +X(0°風(fēng)向角)、Wind+Y(90°風(fēng)向角)、Wind-X(180°風(fēng)向角)、Wind-Y(270°風(fēng)向角)風(fēng)向風(fēng),對(duì)比表1 ~表4 和圖9 中的數(shù)值,Wind +X、Wind-X和Wind-Y風(fēng)向時(shí)塔機(jī)在A位置的根部?jī)A覆力矩最小。雖然在Wind +Y風(fēng)向時(shí)塔機(jī)在C 位置根部?jī)A覆力矩最小,但在Wind-Y風(fēng)向時(shí)塔機(jī)在C 位置根部?jī)A覆力矩最大。如表5 所示,塔機(jī)在A 位置受4 個(gè)風(fēng)向角風(fēng)作用下平均傾覆力矩為1.459 9×106N·m,B 位置受4 個(gè)風(fēng)向角風(fēng)作用下平均傾覆力矩為1.502 8×106N·m,C 位置受4 個(gè)風(fēng)向角風(fēng)作用下平均傾覆力矩為1.512 5×106N·m,由此可知A 位置是最適合安裝塔機(jī)的位置。從水平位置考慮,在風(fēng)載作用下,方形建筑物一側(cè)的中間位置最適合安裝塔機(jī)。

      表5 塔機(jī)在各安裝位置的平均傾覆力矩 N·m

      圖9 A、B、C 等位置塔機(jī)根部?jī)A覆力矩圖

      4 塔機(jī)與單個(gè)建筑物垂直位置關(guān)系

      如圖10 所示,建立塔機(jī)與建筑物垂直位置的風(fēng)場(chǎng)模型[6],模擬塔機(jī)分別安裝在D、E、F、G、H 等位置受到Wind +X、Wind +Y、Wind-X、Wind-Y風(fēng)向時(shí)的風(fēng)場(chǎng)情況,其中D 位置距離建筑物3.5 m,E 位置距離建筑物4 m,F(xiàn) 位置距離建筑物4.5 m,G 位置距離建筑物5 m,H 位置距離建筑物5.5 m。

      圖10 塔機(jī)安裝位置示意圖

      4.1 Wind+X 風(fēng)向(0°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于D、E、F、G、H 等位置受Wind +X風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。圖11 為10 m 高度處流場(chǎng)風(fēng)速云圖,表6 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表。

      表6 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖11 流場(chǎng)中心面速度矢量圖

      由圖11 可以看出等速和風(fēng)的方向,D 位置的最大風(fēng)速為72.45 m/s,E 位置的最大風(fēng)速為72.35 m/s,F(xiàn) 位置的最大風(fēng)速為72.28 m/s,G 位置的最大風(fēng)速為71.56 m/s,H 位置的最大風(fēng)速為71.86 m/s;由此表明最大風(fēng)速VGmax<VHmax<VFmax<VEmax<VDmax。

      由表6 可知,塔機(jī)受Wind +X風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩MD<ME<MF<MG<MH。

      4.2 Wind+Y 風(fēng)向(90°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于D、E、F、G、H 等位置受Wind +Y風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。圖12 為流場(chǎng)10 m 高度處的風(fēng)速云圖,表7 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表。

      表7 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖12 流場(chǎng)10 m 高度處的風(fēng)速云圖

      由圖12 可知,D 位置的最大風(fēng)速為72.05 m/s,E位置的最大風(fēng)速為70.91 m/s,F(xiàn) 位置的最大風(fēng)速為70.5 m/s,G 位置的最大風(fēng)速為70.7 m/s,H 位置的最大風(fēng)速為70.62 m/s;由此表明最大風(fēng)速VFmax<VHmax<VGmax<VEmax<VDmax,即在F 位置最小,H 位置處次之,兩者相差0.12 m/s。

      由表7 可知,塔機(jī)受Wind +Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩MH<MG<MF<ME<MD,即在H 位置時(shí)最小。因此,在受Wind +Y風(fēng)向風(fēng)時(shí),相對(duì)于建筑物塔機(jī)安裝在H 位置最合適。

      4.3 Wind-X 風(fēng)向(180°風(fēng)向角)

      采用CFX 模擬塔機(jī)位于D、E、F、G、H 等位置受Wind-X風(fēng)向風(fēng)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。圖13 為流場(chǎng)中心面風(fēng)壓云圖,表8 塔機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律統(tǒng)計(jì)表。

      表8 機(jī)在各安裝位置的風(fēng)環(huán)境規(guī)律

      圖13 流場(chǎng)中心面壓強(qiáng)云圖

      由圖13 可知,D 位置的最大風(fēng)壓為1.767×103Pa,E 位置的最大風(fēng)壓為1.742×103Pa,F(xiàn) 位置的最大風(fēng)壓為1.728×103Pa,G 位置的最大風(fēng)壓為1.728×103Pa,H 位置的最大風(fēng)壓為1.765×103Pa;由此表明最大風(fēng)壓PFmax<PGmax<PEmax<PHmax<PDmax。

      由表8 可知,塔機(jī)受Wind-X風(fēng)向風(fēng)時(shí),塔機(jī)根部的傾覆力矩MD<MH<MG<MF<ME,D 位置處最小,H 位置次之。

      4.4 Wind -Y 風(fēng)向(270°風(fēng)向角)

      塔機(jī)在D、E、F、G、H 等位置受到Wind-Y風(fēng)向風(fēng)的情況與受到Wind +Y風(fēng)向風(fēng)的工況一致,故不再重復(fù)研究。綜上所述,當(dāng)塔機(jī)安裝在相對(duì)于建筑物的D、E、F、G、H 等位置時(shí),分別受到Wind +X(0°風(fēng)向角)、Wind +Y(90°風(fēng)向角)、Wind-X(180°風(fēng)向角)、Wind-Y(270°風(fēng)向角)風(fēng)向風(fēng),對(duì)比表6 ~表8 中的數(shù)值,可得出塔機(jī)在各安裝位置的平均傾覆力矩。

      如表9 和圖14 所示,塔機(jī)在D 位置受4 個(gè)風(fēng)向角風(fēng)作用的平均傾覆力矩為1.459 9×106N·m,E 位置的平均傾覆力矩為1.494 25×106N·m,F(xiàn) 位置的平均傾覆力矩為1.490 75×106N·m,G 位置的平均傾覆力矩為1.488 25×106N·m,H 位置的平均傾覆力矩為1.486 25×106N·m;由此可知,塔機(jī)各風(fēng)向根部?jī)A覆力矩方差也逐漸變小,H 位置最小,故H 位置是最適合安裝塔機(jī)的地址。

      表9 塔機(jī)在各安裝位置的平均傾覆力矩

      圖14 D、E、F、G、H 等位置塔機(jī)根部平均傾覆力矩圖

      5 結(jié)論

      1)根據(jù)塔機(jī)處于建筑物的A、B、C 等位置時(shí)受到Wind+X、Wind-X、Wind+Y、Wind-Y等風(fēng)向的模擬結(jié)果,得出塔機(jī)安裝在A 位置最安全,即從水平位置考慮,在風(fēng)載作用下,方形建筑物一側(cè)的中間位置是塔機(jī)最優(yōu)安裝位置。

      2)根據(jù)塔機(jī)處于建筑物的D、E、F、G、H 等位置時(shí)受到Wind+X、Wind-X、Wind+Y、Wind-Y等風(fēng)向的模擬結(jié)果,得出塔機(jī)安裝在H 位置最安全,即從豎直位置考慮,在合理距離范圍內(nèi),塔機(jī)的安裝位置離方形建筑物越遠(yuǎn)越安全。

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