門式起重機風力系數仿真研究

張建輝 王 堅

南通潤邦重機有限公司 南通 2260013

0 引言

隨著港口運輸的快速發展，門式起重機的數量也在不斷增多，而港口處風力較大，會對門式起重機造成一定影響，故在門式起重機設計時經常要考慮設計載荷。此外，為了設計的合理性與放置設計過度，需要獲得門式起重機分離箱梁與支腿的風力系數。

目前，關于門式起重機風力系數仿真研究較少。文獻[1]通過風洞試驗與數值仿真方法分析分離箱梁的風力系數，研究發現分離箱梁相較于單梁有減阻優勢；文獻[2]選取5 種湍流模型對集裝箱起重機進行風載荷數值模擬仿真研究，通過結合風洞試驗，研究發現Standard k-ε模型計算結果偏差較大，RNG k-ε模型較好，但收斂性差；文獻[3]使用CFD 方法對箱梁斷面靜風力系數進行數值仿真，通過選取不同的網格密度研究對數值仿真結果的影響，模型不同攻角下的三分力系數，并與風洞試驗進行對比，驗證仿真的可靠性。對于分離箱梁截面目前研究較多，但支腿處風力系數的研究較少，為此，本文針對某門式起重機進行數值模擬仿真，并與風洞試驗進行對比驗證，采用RSM 湍流模型計算出分離箱梁與支腿處風力系數，研究周圍流場特性變化。

1 數值理論

流體運動需要遵守其基本控制方程：連續性方程、動量守恒方程與能量守恒方程。由于本文研究的是門式起重機在直流風作用下的風載系數，其能量變化可忽略不計，故只需考慮連續性方程與動量守恒方程即可。

選取雷諾應力模型（RSM）對連續性方程與動量守恒方程進行求解。雷諾應力模型是迄今較符合物理解的湍流模型，該模型在三維流動加入7 個方程[4]，能更好地模擬支腿處氣流的分離現象。典型的線性Pressure-Strain 模型控制方程可表示為

2 仿真分析

2.1 分離箱梁門式起重機模型

圖1 為門式起重機三維模型，主要由分離箱前后梁、柔性支腿、剛性支腿組成，并對門式起重機上的小車、欄桿等部件進行簡化處理，主要考慮其基本的幾何外形。模型采用1：40的縮比，模型的長、寬、高分別約為0.29 m、4.41 m、2.178 m。

圖1 三維模型

2.2 網格劃分及邊界條件

通過Workbench 中Mesh 模塊對門式起重機模型進行網格劃分，網格采用四面體非結構網格，計算域設置如圖2 所示，B為模型寬度，此外對模型表面進行加密，總體網格數量為526 萬。表1 為計算域邊界條件設置。

圖2 計算域設置示意圖

表1 計算與邊界條件設置

3 仿真結果分析

3.1 壓力分布

由圖3 所示門式起重機壓力部分云圖可知，分離箱梁前迎風面與剛性支腿前腿迎風面受力面積較大。氣流在經過分離箱梁前迎風面后在前梁與后梁之間形成死水區；柔性支腿的壓力分布較平均，柔性支腿前腿與后腿迎風面均有面積相差較小的正壓區域。而在剛性支腿處，由于剛性支腿迎風面積較大，且形狀呈現上大下小的趨勢，導致氣流經過剛性支腿處流場變化復雜，可以明顯看出剛性支腿的后腿迎風面僅在下方有正壓區域，受力較為不均勻。

圖3 門式起重機壓力分布

3.2 速度分布

圖4、圖5 為門式起重機速度分布流線圖。氣流經過分離箱梁后流線區域紊亂，并在分離箱梁空腔內與分離箱梁后方區域產生各種尺度漩渦。在柔性支腿處，由于柔性支腿迎風面積小，分離箱梁與柔性支腿連接處速度流線變化較小，而在剛性支腿與分離箱梁連接處受到剛性支腿形狀影響，氣流經過剛性支腿后有向上趨勢，并與經過分離箱梁的氣流互相影響，導致該處氣流變化劇烈。由于柔性支腿迎風面積小，氣流經過柔性支腿處后流線無明顯變化，流線呈現平行，在柔性支腿左右兩側速度較大，在柔性支腿背風面附近速度與來流方向相反。由于受到剛性支腿形狀影響，剛性支腿處的氣流經剛性支腿前腿迎風面后在背風面處形成各種尺度漩渦，部分氣流在經過剛性支腿后腿后開始逐漸上升與分離箱梁后的氣流進行融合。

圖4 分離箱速度流線

圖5 支腿速度分布

3.3 風力系數

為了研究分離箱的氣動特性，將分離箱分為7 段，如圖6 所示。在截面上布置壓力監測設備，此外對柔性支腿與剛性支腿處也布置有監測點。將-3/L～3/（8L）編號為1～7，總分離箱梁風力系數編號為8，柔性支腿與剛性支腿為9～10。圖7 為關鍵截面、柔性支腿與剛性支腿處的風力系數和試驗數據對比，從圖中可以看出，RSM 湍流模型對門式起重機數據擬合良好，總誤差在5%左右，偏差主要集中在分離箱梁關鍵截面處。從圖中可以看出，在分離箱梁兩端風力系數較大，靠近中心處風力系數逐漸降低并趨于穩定。柔性支腿由于面積較小，受到氣流影響較低，而剛性支腿處氣流變化劇烈多變，風力系數也呈現較高的數值。

圖6 關鍵截面示意圖

圖7 仿真與實驗數據對比

對柔性支腿與剛性支腿進一步分析，分別切割相應面（見圖8、圖9），其風力系數見表2、表3。從表中可以看出，柔性支腿前腿迎風面處風力系數均處于負值，最小值在上部位置，中部與底部的風力系數接近；在背風面處風力系數較大，頂部與底部的風力系數接近。在柔性支腿后腿迎風面處變化趨勢與前腿迎風面相似，但風力系數更低，背風面處頂部風力系數最大，并隨高度的降低而逐漸減小。柔性支腿的風力系數在頂部絕對值均較大，背風面處風力系數均大于迎風面風力系數。而剛性支腿由于其周圍流場變化復雜，且各截面迎風面積不同，風力系數最大值出現在后腿的背風面底部位置，其余風力系數較大值均出現在流動劇烈的頂部位置。在后腿迎風面處風力系數變化較大，由于流線在經過前腿后上升，導致后腿迎風面上中部負壓狀態，風力系數為負值，在底部則為正值。整體來看，剛性支腿較柔性支腿風力系數變化幅度較大。

圖8 柔性支腿測試面分布

圖9 剛性支腿測試面分布

表2 柔性支腿風力系數

表3 剛性支腿風力系數

4 結論

1）分離箱梁風力系數呈現兩邊大中間小的變化趨勢，靠近柔性支腿連接處風力系數較大；

2）柔性支腿由于迎風面積小，氣流經過柔性支腿無明顯變化；剛性支腿由于迎風面積上大下小，導致周圍流場變化劇烈，風力系數在后腿背風面底部位置處于最大值；

3）在分離箱與支腿連接處，受到氣流分離影響，柔性支腿與剛性支腿頂部風力系數絕對值均較大。

利用CFD 數值仿真分析的方法對門式起重機進行外流場仿真，提取分離箱梁與支腿的風力系數，對后期風載計算提供較為可靠與精確的數據。