输油臂风载的数值模拟分析

黄卫东，王利民，黄立亚，韩会林

(连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏连云港222062)

0 引言

码头作业过程中的船用输油臂，主要是用来装卸油船及化工船舶的中间设备［1］。由于输油臂主要是在码头上作业，因此在输油臂设计制造过程中必需要考虑强风载荷的影响。而在国内外还没有输油臂风洞实验的数据，这主要是由于输油臂整体结构庞大和风洞实验费用过高所致。鉴此，本文采用计算流体动力学的数值方法对输油臂进行风洞实验模拟分析。

文中采用国内广泛应用的指数风剖面函数确定平均风沿高度的变化规律［2］，

式(1)中:z0为标准参考高度和标高处的平均风速；z、(z)为任意高度和此高度处的平均风速；α为地面粗糙度指数。按照我国标准参考高度取z0为10m。计算中平均风速选取55m/s的强风，地面粗糙度α按照我国载荷规范［3-4］和起重机设计手册［5］中的分类:有一定结构物的港口码头、堆场、船厂和建筑工地等地貌取值为0.15。所得风速沿高度变化规律如图1所示。后面将采用此风速变化规律作为入口风进行计算。

图1 风速沿高度分布规律

1 数值方法

风载数值模拟的理论基础是流体动力学的数值算法，它是用一组偏微分方程描述流体在空间的运动情况。描述空气绕物体运动的基本方程有［6］:

连续方程

N-S方程

动量方程

式(2)(3)(4)中，ρ为流体密度，uj为流体速度张量，xi为空间坐标，p为压强，Fi为单位质量的体积力。

当前工程上广泛应用的模拟方法仍是基于Reynolds时均方程的湍流模型，该模型是将Reynolds时均方程中的高阶未知关联项用时均量或者低阶关联项表达，进而使Reynolds时均方程封闭得以求解。本文采用涡粘模型中RNGk-ε模型计算，此模型可以较好的模拟高应变率和流线大程度弯曲的流体运动。在计算过程中采用标准壁面函数修正k-ε湍流模型，以模拟近壁区域流体复杂的运动情况。

2 数值建模

用Pro/E建立与RC06H-0.5/15M12022输油臂等尺寸的模型如图2所示，为了节省计算时间，建模时略去了输油臂上对计算影响很小的一些零件。输油臂高13m、宽约2m，置于50m×30m×20m的计算区域中，如图3所示。把Pro/E建好的模型导入Hypermesh中进行用于流体计算的网格划分，对输油臂及部件紧凑区域的网格细化，得到共约260万个单元，结果如图4所示。

图2 输油臂模型

图3 风洞模型

图4 网格剖面图

3 计算结果

经Hypermesh划好的网格模型导入Acuconsole中定义边界条件，调用Acusolve求解器求解。计算得到输油臂上风压分布规律见图5。从图5中可明显看出，迎风面支承方箱上部所受风压比较大，而输油臂下部圆柱形立柱所受风压相对来说比较小，在整个背风面上风压都很小甚至出现了负压强区域；图6和图7分别是竖直和水平剖面上的速度分布，从图中可知，由于输油臂的阻碍风速在接近输油臂时突然变小，气流向边缘挤压风速变大，同时在输油臂背风面形成了多个漩涡消耗了大量的风能，在输油臂的背风面形成了负压强区域。

图5 风压分布云图

为研究不同风向对结果的影响，规定风向垂直支承箱宽面时风向角φ为0°，并以此为基准沿立柱轴线方向顺时针、逆时针以20°增量转动输油臂得到模型分别计算，用以考虑风向角的影响，如图8所示。所有计算工况的入口风速按图1所示规律定义，出口边界条件设定相对于外部大气压增量为0，输油臂外表面及计算区域的各侧墙采用无滑移的壁面条件。

图6 竖直剖面速度分布规律

图7 水平剖面速度分布规律

图8 风向角示意图

对作用在输油臂上不同风向角的风压积分得到输油臂在各风向角下所受的风载荷，其变化规律如图9所示。图9的计算结果表明，在风向角为0°时输油臂所受风载最大为24.5kN，这与按输油臂设计规范计算的25.3kN相吻合，并且随着风向角增大，输油臂所受的风载荷逐渐减小。当风向角为±80°时输油臂所受风载荷将近减小一半。若对一个码头的强风记录进行分析，因此，在安装输油臂时可以考虑此因素确定安装输油臂的方位。

图9 风载荷随风向角的变化规律

根据风压在支撑箱上的分布规律(图5)可知风压在支承方箱的上部中间部分比较大，因此设计时可将此部分挖空改为桁架结构得到模型如图10(a)所示。同样条件下计算所得风压分布云图如图10(b)所示，此桁架式输油臂在风向角φ为0°时所受风载荷为17.6kN，仅为箱式输油臂的70%。关于桁架式输油臂整体强度、刚度等问题已经做过专门的分析且已投入生产，本文不做详细描述。

图10 桁架式输油臂模型及风压分布规律

4 结论

通过计算流体动力学软件Acusolve模拟了输油臂的风洞实验，讨论了风压在输油臂上的分布规律。并对不同风向角作用下的输油臂所受风载进行计算，得到风向角为0°时输油臂所受风载荷最大。通过研究风压的分布规律，将支承方箱进行合理的改进为桁架式，使输油臂在强风作用下所受风载荷大大减小。同时通过探讨风向角对输油臂所受风载大小的影响因素，为输油臂的安装方位提供了一定的指导依据。

［1］液体装卸臂工程技术要求(HG/T21608-2012)［S］.中华人民共和国化工行业标准，2012.

［2］朱航，等.梯度风作用下HYSY-981半潜式平台风载荷与表面分压分布研究［J］.中国海上油气，2010，4(22):270-274.

［3］张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册［M］.上海:同济大学出版社，1990.

［4］建筑结构荷载规范(GB50009-2001)［S］.中华人民共和国国家标准，2001.

［5］张质文，等.起重机设计手册［M］.北京:中国铁道出版社，1998.

［6］景思睿，张鸣远.流体力学［M］.西安:西安交通大学出版社，2006.