基于ANSYS的充氣滑梯外流場的數值仿真研究

周小莊，項輝宇，張 勇 ，孫 超，李婷婷

(1.北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048;2.中國特種設備檢測研究院,北京 100013)

基于ANSYS的充氣滑梯外流場的數值仿真研究

周小莊1，項輝宇1，張 勇2，孫 超1，李婷婷1

(1.北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048;2.中國特種設備檢測研究院,北京 100013)

為研究充氣滑梯風載下的受力特點，確保充氣滑梯的安全運營，將SIMPLIC算法與湍流模型相結合，基于計算流體動力學對充氣滑梯外流場進行了數值仿真研究。首先運用Ansys Workbench建立充氣滑梯三維模型;然后采用非結構四面體網格離散求解區域，設定邊界條件，著重進行了不同風向下的迎風面分析，以及不同風速下的最大風壓和表面風壓的分布研究;最后根據仿真結果，為充氣滑梯結構及迎風設計提出了改進方案。

充氣滑梯；ANSYS；計算流體動力學；風壓分布；數值模擬

2014年10月5日，上海市寶地廣場的大型充氣滑梯被一陣狂風吹翻，致正在玩耍的13名孩童及1名工作人員受傷；2014年7月12日，青島即墨市一充氣滑梯被大風掀翻，兩個孩子被壓在充氣城堡下，一名兒童當場死亡，另一名兒童腿部骨折；2014年5月31日，廈門明發商業廣場中庭，一個小女孩從4 m多高的充氣滑梯上摔下來受傷……

多起人員傷亡事故為充氣滑梯行業敲響警鐘。作為一種由柔性織物制作的新型娛樂設施，充氣滑梯通過內外空壓差保持外形，供兒童在其中彈跳、玩耍[1-2]。由于充氣滑梯屬于柔性結構，對風荷載十分敏感，其結構在風荷載下的受力特性及流場情況也深受行業關注，因此對充氣滑梯風載下的安全穩定性進行空氣動力學研究具有十分重要的現實意義。

隨著計算機技術和湍流理論的高速發展，計算流體力學(Calculation Fluid Dynamics，CFD)方法被廣泛運用于各類空氣動力學研究中，如南京航空航天大學的高速轎車車身前部外流場數值模擬[3]；中國礦業大學基于Fluent模擬的選煤廠煤倉瓦斯超限治理研究[4]；中國電力科學研究院的典型覆冰導線空氣動力學特性數值和試驗模擬[5]；華東理工大學的基于Fluent的攪拌反應罐流場的優化研究[6]；等等。通過各領域的計算流體學研究發現，運用數值模擬的方法模擬設施表面風場并求解表面風壓，相比于風洞試驗，可以更有效地研究不同因素對外流場性能的影響，同時節約了資金，提高了研究效率[7-10]。但目前國內外有關充氣滑梯流固耦合外流場的研究文獻極少，充氣滑梯在風載作用下的受力特性尚未為人所知。鑒于此，本文基于計算流體動力學對不同風況下充氣滑梯的流場特性進行了穩態數值仿真研究，通過仿真結果與計算數據的橫縱向對比，證明了數值模擬方法的可行性，并在此研究的基礎上，為充氣滑梯結構及迎風設計提出了改進建議。

1 仿真模型

本文依據鄭州市臥龍游樂設備有限公司的沖浪滑梯模型，考慮到計算機硬件條件以及計算時間，結合其他常見充氣滑梯，簡化了浪花、玩具造型等特征，使模型具有普遍性，最終確立充氣滑梯模型總長10 m、總寬6 m、總高6 m。運用Ansys Workbench建立的充氣滑梯三維簡化模型如圖1所示，其中x、z軸方向平行于地面，y軸方向垂直于地面，x軸設置為沿充氣滑梯長度方向。經UG軟件測量，充氣滑梯三維模型的側面、正面(非水平面)、背面的迎風面積分別為31.66 m2、36.17 m2和43.43 m2。

充氣滑梯外流場空間的選取應以不出現回流效應為準[11]，故計算區域需足夠大。前部取充氣滑梯3倍設施長，以保證前圍的氣流滿足氣流均勻性要求；后部取充氣滑梯6倍設施長，使尾流區氣流流動狀態得以充分顯現；側面取充氣滑梯5倍設施寬，以正確反映側圍繞流的真實情況；上部取充氣滑梯4倍設施高，以降低上邊界氣流繞流影響。以側面迎風為例，充氣滑梯的計算模型如圖2所示，此時風速方向沿z軸負方向，前部取充氣滑梯3倍設施長，后部取充氣滑梯6倍設施長，側面取充氣滑梯5倍設施寬，上部取充氣滑梯4倍設施高，則風場計算區域為x×y×z=50 m×24 m×60 m。

由于整個流體的待求解區域較大，設施表面比較復雜，為了能夠同時兼顧準確性和經濟性，采用非結構四面體網格離散求解區域，同時對靠近設施表面的壁面邊界層網格進行加密處理，以滿足充氣滑梯壁面黏性邊界層的需要。最終生成的網格數約15×105，充氣滑梯外流場沿xy平面網格劃分的剖面圖如圖3所示。

2 數學模型及邊界條件

2.1 數學模型

作用在充氣滑梯表面的流體是空氣，其仿真的狀況為1個標準大氣壓，流體密度為1.24 kg/m3，溫度為24℃，運動黏度υ=1.46×10-5m2/s，湍流動力黏度μ=1.79×10-5N·s/m2。由于所要研究的風速遠小于聲速，且不考慮傳熱，本文把空氣擾流問題作為定常、無能量交換、不可壓縮的三維流場處理，采用湍流模型擬合充氣滑梯外流場的湍流流動。

為使計算精度更優，對有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流現象能有更好的預測結果[12]，本文采用Realizablek-ε有限差分法求解流場區域，精度選擇二階迎風格式，并采用SIMPLIC算法對求解區域的速度場和壓力場進行耦合。

將Realizablek-ε模型時均化的連續方程和N-S方程寫成張量形式[13-14]，其公式為

(1)

(2)

對應的湍流模型中湍動能k和湍流耗散率ε的控制方程為

(3)

(4)

本模型中常數的選取為：σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92。

2.2 邊界條件

本文對仿真中的各部件名稱進行詳細的劃分。對待求解區域，主要劃分為入口邊界(inlet)、出口邊界(outlet)、設施壁面(wall1)、地面(ground)和壁面(wall2)五部分，如圖2中標示。當求解區域對稱時，取原有模型一半進行分析以簡化計算，此時設置部件對稱面(sym)。

為研究不同風速對充氣滑梯表面受壓的影響，入口邊界分別選取6級風、7級風、8級風對應風速11m/s、14m/s、17m/s作為來流方向速度，出口邊界設為壓力出口，相對壓力為0。由于常態大風下湍流強度不大，這里取實測值I=8.5%[15]。湍流尺寸L為入口段的特征長度，對于方形截面流動，特征長度即為水力直徑dH，按照經驗公式計算得dH=2.1m。設施壁面、地面和壁面均為無滑動墻面，對稱面設置邊界條件對稱。

3 仿真結果及分析

3.1 迎風面分析

為研究不同風向對充氣滑梯表面受壓的影響，選取側面迎風、正面迎風、背面迎風3種情況進行仿真模擬[16]，圖4、圖5和圖6分別為在6級風(11m/s)下充氣滑梯側面、正面、背面迎風時表面風壓分布圖。

由圖4、圖5和圖6可以看出：在同等風速[6級風(11m/s)]下，由于充氣滑梯不同表面具有不同坡度，且同時考慮到來流的湍流特性，充氣滑梯的不同迎風面上所受風壓及最大風壓均不同，其中側面迎風最大風壓為82.3Pa，正面迎風最大風壓為56.4Pa，背面迎風最大風壓為80.8Pa,可見此時充氣滑梯側面迎風所受最大風壓大于正面及背面迎風情況。

本文將5級風、6級風、7級風、8級風、9級風時，充氣滑梯側面、正面、背面迎風時所受的最大風壓繪制成折線圖，見圖7。

由圖7可以看出：在模擬的所有風速情況下，充氣滑梯側面所受最大風壓均大于正面及背面迎風情況。故在實際使用中，應盡量避免設施側面迎風運營；在試驗研究中，也應使用迎風面積最大的區域(如側面迎風工況)進行風洞試驗及仿真模擬。

3.2 最大風壓分析

本文采取表面風壓最大的側面迎風工況為主要研究對象，將仿真所得的風壓最大值與基本風壓、風壓標準值進行比較，其結果見表1，并將其繪制成風壓折線圖,見圖8。

由表1和圖8可見，隨著風速的增加，充氣滑梯設施表面所受的最大風壓也隨之增大。通過設施表面最大風壓與國標公式計算所得基本風壓和風壓標準值進行比較可以發現，仿真所得最大風壓大于基本風壓w0，小于風壓標準值wk，其值約等于風阻系數Cw取1.106時的風載值。可見，仿真所得風阻系數比較符合經驗規律，但比實際風阻系數略小，這是因為充氣滑梯模型是經過一定的簡化處理的，沒有考慮到充氣浪花以及其他造型對整體風壓的影響。

表1 不同風速下充氣滑梯側面風壓值比較

3.3 表面風壓分析

本文采取表面風壓最大的側面迎風工況為主要研究對象，其中6級風、7級風、8級風、9級風下充氣滑梯側面迎風時表面風壓分布對比見圖9。

由圖9可以看出：側面迎風工況下不同風速時充氣滑梯表面所受的最大風壓存在顯著差異，其中6級風時充氣滑梯表面所受的最大風壓為82.3Pa，7級風時最大風壓為133Pa，8級風時最大風壓為197Pa，9級風時最大風壓為300Pa，但表面風壓分布基本一致，沒有較大變化。由此得出，當風向不變時，風速的增大僅會使充氣滑梯表面所受風壓增大，但不會影響設施表面的壓強分布。

4 結 論

本文將SIMPLIC算法與湍流模型相結合，基于計算流體動力學對充氣滑梯外流場進行了數值仿真研究，得到以下結論：

(1) 充氣滑梯側面與來流方向垂直，所受風壓最大。因此，在實際使用中，應盡量避免充氣滑梯側面迎風運營。

(2) 隨著風速的增加，充氣滑梯表面所受的最大壓強也隨之增大。由于經驗公式考慮到各種復雜情況，仿真所得最大風壓比經驗公式略小一些。

(3) 當風向不變時，增大風速只會使充氣滑梯設施表面風壓增大，但設施表面的壓強分布基本不變。對于相同風向，可使用極限風速進行仿真模擬。

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Numerical Simulation of the Flow Field around Inflatable Slides Based on ANSYS

ZHOU Xiaozhuang1,XIANG Huiyu1,ZHANG Yong2,SUN Chao1,LI Tingting1

(1.CollegeofMaterialsandMechanicalEngineering，BeijingTechnologyandBusinessUniversity，Beijing100048，China;2.ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute，Beijing100013，China)

For the purpose of researching the loading characteristics of inflatable slides and ensuring the safety operation of them under wind load,this paper combines SIMPLIC algorithm and turbulence model to complete the numerical simulation analysis of the flow field around inflatable slides based on the computational fluid dynamics,and applies ANSYS Workbench to establishing a 3-dimensional model as well as dividing the solving area with unstructured tetrahedral mesh.After the set of boundary conditions,the study puts emphasis on the windward surface,the maximum wind direction and the pressure distribution of the windward surface under different wind speeds and directions.The result proposes some improved schemes of inflatable slide structure and windward design.

inflatable slide;ANSYS;computational fluid dynamics;wind pressure distribution;numerical simulation

1671-1556(2015)04-0150-05

2014-11-19

2015-01-11

質檢公益性行業科研專項項目(201310239);北京工商大學研究生科研學術創新基金項目“基于流固耦合的充氣滑梯風載穩定性分析”

周小莊(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為充氣式游樂設施安全穩定性。E-mail：m18910231187@163.com

X928;D035.29

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.026

項輝宇(1966—)，男，博士，教授，主要從事機械CAD/CAM/CAE、模具CAE技術、游樂設施安全性等方面的研究。E-mail:xianghy@th.btbu.edu.cn