輸油臂風載的數值模擬分析

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備［1］。由于輸油臂主要是在碼頭上作業(yè)，因此在輸油臂設計制造過程中必需要考慮強風載荷的影響。而在國內外還沒有輸油臂風洞實驗的數據，這主要是由于輸油臂整體結構龐大和風洞實驗費用過高所致。鑒此，本文采用計算流體動力學的數值方法對輸油臂進行風洞實驗模擬分析。

文中采用國內廣泛應用的指數風剖面函數確定平均風沿高度的變化規(guī)律［2］，

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

圖1 風速沿高度分布規(guī)律

1 數值方法

風載數值模擬的理論基礎是流體動力學的數值算法，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，p為壓強，F(xiàn)i為單位質量的體積力。

當前工程上廣泛應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聯(lián)項用時均量或者低階關聯(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變率和流線大程度彎曲的流體運動。在計算過程中采用標準壁面函數修正k-ε湍流模型，以模擬近壁區(qū)域流體復雜的運動情況。

2 數值建模

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建好的模型導入Hypermesh中進行用于流體計算的網格劃分，對輸油臂及部件緊湊區(qū)域的網格細化，得到共約260萬個單元，結果如圖4所示。

圖2 輸油臂模型

圖3 風洞模型

圖4 網格剖面圖

3 計算結果

經Hypermesh劃好的網格模型導入Acuconsole中定義邊界條件，調用Acusolve求解器求解。計算得到輸油臂上風壓分布規(guī)律見圖5。從圖5中可明顯看出，迎風面支承方箱上部所受風壓比較大，而輸油臂下部圓柱形立柱所受風壓相對來說比較小，在整個背風面上風壓都很小甚至出現(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速在接近輸油臂時突然變小，氣流向邊緣擠壓風速變大，同時在輸油臂背風面形成了多個漩渦消耗了大量的風能，在輸油臂的背風面形成了負壓強區(qū)域。

圖5 風壓分布云圖

為研究不同風向對結果的影響，規(guī)定風向垂直支承箱寬面時風向角φ為0°，并以此為基準沿立柱軸線方向順時針、逆時針以20°增量轉動輸油臂得到模型分別計算，用以考慮風向角的影響，如圖8所示。所有計算工況的入口風速按圖1所示規(guī)律定義，出口邊界條件設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 風向角示意圖

對作用在輸油臂上不同風向角的風壓積分得到輸油臂在各風向角下所受的風載荷，其變化規(guī)律如圖9所示。圖9的計算結果表明，在風向角為0°時輸油臂所受風載最大為24.5kN，這與按輸油臂設計規(guī)范計算的25.3kN相吻合，并且隨著風向角增大，輸油臂所受的風載荷逐漸減小。當風向角為±80°時輸油臂所受風載荷將近減小一半。若對一個碼頭的強風記錄進行分析，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 風載荷隨風向角的變化規(guī)律

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

圖10 桁架式輸油臂模型及風壓分布規(guī)律

4 結論

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

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

［2］朱航，等.梯度風作用下HYSY-981半潛式平臺風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.工程結構風荷載理論和抗風計算手冊［M］.上海:同濟大學出版社，1990.

［4］建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2001)［S］.中華人民共和國國家標準，2001.

［5］張質文，等.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［6］景思睿，張鳴遠.流體力學［M］.西安:西安交通大學出版社，2006.