自卸臂箱型结构的风载荷数值模拟研究

李 艳

（南通航运职业技术学院 船舶与海洋工程系 南通226010）

自卸臂箱型结构的风载荷数值模拟研究

李 艳

（南通航运职业技术学院 船舶与海洋工程系 南通226010）

以29 800 t大湖型自卸散货船的自卸臂为例，利用计算流体软件Fluent，对不同的长高比L/h、表面粗糙度及不同速度情况下的自卸臂箱型结构进行数值模拟。分析比较计算结果，得出风力系数在不同的长高比和表面粗糙度的变化，为后续的自卸臂风阻计算提供参考依据。

自卸臂；数值模拟；长高比；表面粗糙度；风力系数

引 言

自卸船是依靠货物自身重力，通过船体本身自带运输装置可以将货物卸至码头的散货船。它最早起源于北美五大湖地区，该地区的散货运输主要由自卸船承担。自卸船的运输装置常采用甲板悬臂式卸货结构（下称“自卸臂”），目前国内对自卸臂风阻性能的研究还较少。

本文以某厂建造的29 800 t大湖型自卸散货船的自卸臂为例，比较研究在不同的长高比L/h和表面粗糙度情况下的自卸臂风力系数的变化［1-4］。

1 数值模拟

自卸臂为箱型结构。箱型结构的迎风面积与其他结构形式相比较大，该结构的风响应主要体现于静态风压和动态风振效果。

1.1 建立计算模型

1.1.1 数值计算方法

数值计算的湍流模型采用两方程的标准K-ε（湍流动能—湍流耗散率）模型。压力速度解耦采用Simple 算法。压力方程采用标准的离散格式进行离散，动量方程和湍动能及湍动能耗散率方程均采用一阶离散格式。

1.1.2 模型与网格划分

自卸臂长L为84 m，横截面为长方形，长方形四顶角有倒圆。自卸臂宽D为3.7 m、高h为2.6 m。数值计算模型以1：100缩放比进行建模。

不同的模型流域尺寸各不相同，计算流域均采用长方体流域

式中：L为自卸臂计算模型的长度；h为自卸臂计算模型的迎风面高度；D为自卸臂计算模型的截面宽度。

模型与流域出口的距离为30倍的模型高度，与流域进口的距离为5倍的模型宽度。流域高为8倍的模型高度，流域宽为3倍的模型长度。坐标原点为卸货臂中心；X 方向指自卸臂模型的宽度方向；Y 方向沿自卸臂模型的长度方向；Z 方向沿高度方向，向上为正。计算域参数设置见图1。整个计算域被划分成10个部分，均采用结构网格，网格单元数约150万个左右，见图2。

1.1.3 边界条件和计算工况

1.1.3.1 边界条件

边界包括入口、出口和壁面。速度入口：距离自卸臂坐标原点在X的负方向的5D处，计算时速度垂直于入口边界；压力出口：距离自卸臂坐标原点在X的正方向的30D处，设定为压力出口，压力为未受扰动时的边界压力；壁面：整个自卸臂模型表面，设定为无滑移条件，即壁面速度为0。［5］

1.1.3.2 计算工况

结构表面处理为光滑表面和表面粗糙度为0.05 mm的模型，数值试验的入流速度分别设为2 m/s、10 m/s。计算模型的长高比有两组：一组保持模型长度不变，h分别取值0.024、0.026、0.028、0.032；一组保持h = 0.026不变，L取值0.52、0.78、0.84。

1.2 计算结果分析

1.2.1 迎风面高度h变化的影响

下页图3和图4是一系列长度不变、迎风面高不同（h = 0.024、0.026、0.028、0.032）的自卸臂模型表面风压分布值，表面粗糙度为0.05 mm、入流速度为2 m/s。由图可得出结论：不管模型的长高比怎么变化，静压和动压的分布趋势均无明显变化；压力值的范围随着迎风面高度的增大而增大，且漩涡脱落点的位置及漩涡脱落区域的大小有所变化。

1.2.2 不同粗糙度下的影响

图5是光滑表面和表面粗糙度为0.05 mm时的阻力系数和升力系数的三维模拟结果曲线。从图中可见自卸臂三维模型在粗糙度不同的情况下阻升力系数变化均很小，可能是因表面粗糙度较小之故。

1.2.3 入流速度变化的影响

图6是在入流速度分别为2 m/s、10 m/s的阻力系数和升力系数的三维模拟结果曲线。计算时，表面粗糙度均为0.05 mm。从图中可以看出，相对较低的速度下，长高比变化引起的阻升力系数变化均不明显；而较高速度下，升力系数随着长高比变化而变化明显。

1.2.4 自卸臂长度变化的影响

图7、图8和图9分别是表面粗糙度为0.05 mm时，不同长高比（h = 0.026 m，L = 0.52 m、0.78 m、0.84 m）下的阻力系数和升力系数的三维模拟结果曲线及风压分布。从图7中可见，自卸臂三维模型的阻力系数和升力系数变化规律相似。从图8和图9中可知，风压分布变化不明显。

2 结 论

本文基于计算流体软件Fluent，着重对自卸臂箱型结构模型的风载荷系数进行计算，详细研究了箱型结构在不同尺寸比与流动参数下的阻力和升力系数值的变化情况。从结果上看，自卸臂的长高比、结构表面粗糙度以及风速（雷诺数）的变化等都对自卸臂的风力系数产生影响。此外，给出了高雷诺数下粗糙构件的风力系数值，并且对自卸臂的风载荷计算作了必要的补充与说明。该研究对今后的自卸臂结构设计中尺寸的选取提供了参考。

［1］严俊．离岸深水港口大型设备群风载荷计算方法研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［2］胡金昌．岸边集装箱起重机的风振响应分析及风振控制［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［3］董国朝.钝体绕流及风致振动流固耦合的CFD研究［D］.长沙：湖南大学，2011.

［4］张学敏.桥梁风效应数值模拟研究［D］.长沙：湖南大学，2014.

［5］田洪德，商伟军，邹华敏.岸边集装箱起重机风载荷数值模拟研究［J］.港口机械，2009（3）：1-3.

Numerical simulation of wind-load on box structure of self-unloading arm

LI Yan
(Department of Ship & Ocean Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010,China)

By taking the self-unloading arm of a 29 800 t lake self-unloading bulk carrier as an example, this paper numerically simulated the box structure of the self-unloading arm with the di ff erent length height ratio (L/h), surface roughness and wind speeds by the computational fluid dynamics software FLUENT. The variations of wind coeffi cient under the di ff erent L/h and the surface roughness are thus obtained by the analysis and comparison of the calculation results, which can provide references for the subsequent resistance calculation of the self-unloading arm.

self-unloading arm; numerical simulation; length height ratio(L/h); surface roughness; wind load coeffi cient.

U667.5

A

1001-9855（2017）01-0064-04

2016-08-08；

2016-10-27

李 艳（1981-），女，硕士，讲师。研究方向：船舶总体设计。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.064