蘇文獻(xiàn)， 金玉龍， 韓 超

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.中國寰球工程公司設(shè)備室，北京 100028）

單塔風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)破壞分析

蘇文獻(xiàn)1， 金玉龍1， 韓 超2

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.中國寰球工程公司設(shè)備室，北京 100028）

采用基于流體仿真軟件Fluent及有限元分析軟件Ansys的數(shù)值模擬方法，對某獨(dú)立的130 m高的塔進(jìn)行風(fēng)振分析，并針對該應(yīng)力條件，參照J(rèn)B4732進(jìn)行了疲勞分析.結(jié)果表明：對于細(xì)長結(jié)構(gòu)，橫向風(fēng)力的作用大于順風(fēng)向的作用；空塔在臨界風(fēng)速下發(fā)生一階共振時(shí)，應(yīng)力水平最苛刻的位置在塔體下封頭與裙座連接處.

塔；風(fēng)振分析；數(shù)值模擬

塔設(shè)備在化工、石油化工、煉油等產(chǎn)業(yè)中都具有重要地位，常見的單元操作如精餾、吸收、解吸和萃取等都離不開塔設(shè)備.塔設(shè)備的投資巨大，約占化工、石化項(xiàng)目總投資的30%～40%，其性能直接關(guān)系到生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能、質(zhì)量、能耗及成本.塔設(shè)備作為一種大型露天放置的直立設(shè)備，對風(fēng)載荷較為敏感.現(xiàn)有文獻(xiàn)表明［1-4］，近幾十年由風(fēng)載荷引起的塔振動(dòng)事故頻發(fā)，引起了人們對這一問題的關(guān)注.對塔設(shè)備而言，由風(fēng)載荷引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力占總的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的80%～90%［5］.在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域，通常將高層結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)分為順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向來研究.在順風(fēng)向承受風(fēng)力作用時(shí)產(chǎn)生與風(fēng)向相同的振動(dòng)，在橫風(fēng)向承受風(fēng)力作用時(shí)產(chǎn)生橫向振動(dòng).由于風(fēng)扭矩影響較小，一般不考慮扭轉(zhuǎn)向的作用.隨著大型化工企業(yè)的興起與發(fā)展，高度與直徑比較大的塔器數(shù)量逐漸增多，這增加了塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓負(fù)擔(dān)，提高了潛在的危險(xiǎn)性.風(fēng)災(zāi)一旦發(fā)生，后果將不堪設(shè)想.目前，中國GB 150—1998《鋼制壓力容器》［6］、美國《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》［7］、歐盟《歐盟承壓設(shè)備實(shí)用指南》［8］及其他國際壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中都沒有明確給出風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)分析設(shè)計(jì)方法.JB／T 4710—2005《鋼制塔式容器》［9］規(guī)定，當(dāng)H／D＞15且H＞30 m時(shí)應(yīng)按附錄AC（規(guī)范性附錄）計(jì)算橫風(fēng)向風(fēng)振.H為高度，D為平均直徑.本文以鎖定振動(dòng)為對象，即將渦街振動(dòng)的頻率鎖定在塔的固有頻率上.對于橫風(fēng)向風(fēng)振分析的方法為運(yùn)用Ansys模態(tài)計(jì)算塔的固有頻率，得出流場分析所需的風(fēng)速；通過CFD得到平均風(fēng)力，計(jì)算作用于塔設(shè)備的水平風(fēng)載荷；將載荷施加到Ansys中進(jìn)行塔設(shè)備的動(dòng)力響應(yīng)分析；根據(jù)JB 4732［10］相關(guān)規(guī)定對塔進(jìn)行疲勞分析.并從塔設(shè)備風(fēng)致誘導(dǎo)振動(dòng)的機(jī)理出發(fā)，總結(jié)已有的研究方法及成果［11-15］，探究基于大型有限元分析軟件Ansys及專業(yè)CFD軟件平臺(tái)Fluent 6的動(dòng)力響應(yīng)分析，旨在給出可供工程參考的塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的數(shù)值分析方法.

1 塔器參數(shù)

以某石化項(xiàng)目中的某塔作為分析對象，基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.該塔高度H＞30 m且與塔徑比大于15，需對橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行分析.

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters

2 模態(tài)分析

運(yùn)用Ansys分析出塔的固有頻率.模型選用更為危險(xiǎn)的空塔模型，忽略接管，采用Shell63單元，前兩階的分析結(jié)果及運(yùn)用式為

式中，vj為臨界風(fēng)速；fj為固有頻率；St為斯托哈爾數(shù)，計(jì)算出的臨界風(fēng)速見表2.

表2 模態(tài)分析結(jié)果Tab.2 Results of modal analysis

3 脈動(dòng)風(fēng)力的流場分析

3.1 流場設(shè)置

3.1.1 流場模型

為減少計(jì)算量要盡可能減少網(wǎng)格數(shù)目，流場計(jì)算區(qū)域應(yīng)在對計(jì)算結(jié)果沒有影響的前提下盡可能小.但必須確保其與實(shí)際情況相似，且不受堵塞效果的影響.塔結(jié)構(gòu)的大小占計(jì)算區(qū)域的斷面比例大時(shí)，風(fēng)路變窄會(huì)產(chǎn)生比實(shí)際情況更大的風(fēng)速，為防止這種現(xiàn)象，塔結(jié)構(gòu)投影面積與計(jì)算區(qū)域面積的比例應(yīng)控制在5%以下.

計(jì)算對象塔至入流邊界的距離至少大于5D，以防止迎流面停止點(diǎn)的高壓與入流邊界重合，對壓力分布造成不良影響；至下游出流邊界的距離至少大于10D，特別是對于高大且細(xì)長的結(jié)構(gòu)，更要確保有足夠的長度；兩側(cè)至少6.5D.流場模型的選取見圖1.

3.1.2 網(wǎng)格劃分

流場變化較小的區(qū)域，應(yīng)減少網(wǎng)格以提高計(jì)算效率；變化較大的區(qū)域，需配置大量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)以提高分辨率.雖然RANS采用比LES精度低的網(wǎng)格，但結(jié)構(gòu)附近的計(jì)算結(jié)果也會(huì)隨著網(wǎng)格分辨率的變化而變化.為避免產(chǎn)生對網(wǎng)格的依賴性，事先必須對幾種不同分辨率的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而采用計(jì)算結(jié)果不依賴網(wǎng)格分辨率的足夠小的網(wǎng)格.

圖1 流場模型Fig.1 Flow field model

選用的3種網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為118×104，148×104和222×104.這3種網(wǎng)格的低階統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果幾乎一樣，高階統(tǒng)計(jì)量略有不同，說明中等密度網(wǎng)格的結(jié)果可以采用.網(wǎng)格的配置結(jié)果見圖2.

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

3.1.3 流體物性影響

實(shí)際氣體都是可壓縮流體，但是當(dāng)流速比較低、一般馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，可將其視為不可壓縮流體的流動(dòng)，且誤差很小［16］.流體的黏性對流動(dòng)影響很大，不能忽視.

3.1.4 流場參數(shù)選擇

使用改進(jìn)的RNGκ-ε模型，具體設(shè)置見表3.

表3 計(jì)算模型設(shè)置Tab.3 Calculation model

3.2 脈動(dòng)風(fēng)力的特性計(jì)算

3.2.1 風(fēng)力特性計(jì)算結(jié)果

圖3～5（見下頁）為計(jì)算得到的壓力分布結(jié)果，Z為高度，θ為圓周角，K為風(fēng)壓系數(shù).其中，風(fēng)壓系數(shù)定義為

式中，p1為監(jiān)測點(diǎn)處的平均風(fēng)壓值；p0為無窮遠(yuǎn)處來流的靜壓力.

圖3 表面風(fēng)壓分布Fig.3 Surface wind pressure distributions

從圖中可知壓力分布的特點(diǎn)：每層最大風(fēng)壓系數(shù)均出現(xiàn)在圓周角為0°處，即迎風(fēng)點(diǎn)，其值約等于1，最小風(fēng)壓系數(shù)在±90°附近，即塔體側(cè)面，在塔頂封頭和底座處絕對值小于中間圓柱部分；在背風(fēng)側(cè)180°周圍系數(shù)向上突出，表明存在明顯的邊緣效應(yīng).

在30～110 m范圍內(nèi)，塔主體基本承圓柱結(jié)構(gòu)，工程中常取Z／H=0.4～0.8高度之間的壓力系數(shù)來研究，因此采用100 m高截面代表此范圍的特征.圖6（見下頁）顯示10，100，125 m高度處風(fēng)速場，風(fēng)速在背風(fēng)區(qū)域存在大型湍流，風(fēng)速分布紊亂且成回路，尤其塔頂和塔底分離點(diǎn)在更小的圓周角上出現(xiàn)，不如迎風(fēng)面的分布光滑一致.這就說明了壓力分布

圖4 風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.4 Wind pressure coefficient distribution

圖5 100 m高度處風(fēng)壓系數(shù)沿圓周的分布Fig.5 Wind pressure coefficient along the circumference of 100 m

圖上背風(fēng)面風(fēng)力系數(shù)有較大范圍的穩(wěn)定區(qū)域，且頂部和底部的側(cè)后方壓力分布承三角形，壓力較小.

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

JB／T 4710—2005《鋼制塔式容器》規(guī)定，將塔沿高度方向分成若干段，第i段順風(fēng)向水平風(fēng)力計(jì)算式為

式中，K1為體型系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)中為0.7，其概念與本

圖6 不同高度截面風(fēng)速流線圖Fig.6 Velocity streamlines of Section height

文的風(fēng)壓系數(shù)是一致的，在GB50009《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中給出了體型系數(shù)更為具體的值，對于石油化工塔設(shè)備，不同圓周角的體型系數(shù)按表4選??；K2i為風(fēng)振系數(shù)，考慮來流風(fēng)中湍流的影響，本文選擇均勻來流風(fēng)，沒有考慮湍流作用，因此可以在后續(xù)計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)載荷時(shí)，用Fluent計(jì)算得到的平均風(fēng)力乘以這個(gè)系數(shù)，以考慮湍流作用；q0為基本風(fēng)壓值；fi為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，是考慮地面粗糙度對大氣邊界層風(fēng)特性的影響，本文的處理方式是在地表使用壁面函數(shù)；li為第i計(jì)算段長度；De為塔式容器各計(jì)算段的有效直徑.

表4 體型系數(shù)值Tab.4 Shape coefficient

將塔表面10～120 m間每隔10 m處檢測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)值以圓周角為坐標(biāo)繪制成曲線，并與上述規(guī)定值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7.

圖7 風(fēng)壓系數(shù)Fig.7 Wind pressure coefficient

規(guī)范中認(rèn)為體型系數(shù)分布沿高度不變，即沿軸向完全相關(guān)，表現(xiàn)為二維特性.從圖7中風(fēng)壓系數(shù)沿高度的變化情況可知，在迎風(fēng)點(diǎn)左右45°范圍內(nèi)，計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合較好；側(cè)面90°附近差別較大，塔頂封頭的邊界層分離是造成120 m高的曲線與其它3條曲線最大差別的主要原因，主體30～100 m的各曲線有較高的重合度.

規(guī)范中的體型系數(shù)僅考慮順風(fēng)向的風(fēng)力作用，對于橫向風(fēng)振力單獨(dú)驗(yàn)算，根據(jù)圖3的動(dòng)壓力分布，兩側(cè)的脈動(dòng)壓力最大，是造成橫向風(fēng)振的主要因素.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大脈動(dòng)壓力234.448 MPa，遠(yuǎn)大于迎風(fēng)點(diǎn)處的最大靜壓力85.378 5 MPa，說明對這種細(xì)長結(jié)構(gòu)，橫向風(fēng)力的作用大于順風(fēng)向的作用.

3.3 脈動(dòng)風(fēng)力的輸出

流體計(jì)算是求得塔設(shè)備表面網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力，因此由網(wǎng)格精度對應(yīng)空間精度，得到風(fēng)壓的分布.計(jì)算塔設(shè)備風(fēng)振響應(yīng)時(shí)，振動(dòng)中一階模態(tài)所占比例大，再加上多數(shù)情況下振動(dòng)模態(tài)可以近似為直線模態(tài)，因此可得到結(jié)構(gòu)對于指定中心位置作用的傾覆力矩系數(shù).在本文的方案中，僅輸出順風(fēng)向及橫風(fēng)向上的傾覆力矩結(jié)果.

4 風(fēng)載荷動(dòng)力響應(yīng)分析

運(yùn)用Ansys軟件進(jìn)行風(fēng)載荷動(dòng)力響應(yīng)分析，假定順風(fēng)向彎矩為恒定值，橫風(fēng)向彎矩呈正弦規(guī)律變化，采用模型為

式中，ω為激勵(lì)角速度；t為時(shí)間.施加位移及載荷條件的模型如圖8所示，計(jì)算結(jié)果見圖9.

圖8 載荷邊界條件Fig.8 Load boundary conditions

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下封頭與群座的連接處，對這個(gè)部位按文獻(xiàn)［10］的應(yīng)力強(qiáng)度評定準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定，評定結(jié)果見下頁表5，表中SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力強(qiáng)度，SⅣ為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度，Sm為許用應(yīng)力.

圖9 應(yīng)力強(qiáng)度分布Fig.9 Distribution of stress intensity

表5 應(yīng)力評定結(jié)果Tab.5 Assessment of stress intensity

5 疲勞分析

對下封頭與群座連接處的截面進(jìn)行疲勞分析：截面最大拉應(yīng)力σ0-01=9.2 MPa

截面最大壓應(yīng)力σ0-02=-23.8 MPa

應(yīng)力組合

其中，σ1為由壓力引起的軸向應(yīng)力，由于是空塔狀態(tài)，σ1=0；σ2為由重力引起的軸向應(yīng)力；σ3為橫向彎矩引起的應(yīng)力；交變應(yīng)力幅

根據(jù)JB 4732的C-1疲勞曲線，許用循環(huán)次數(shù)N＞106.

對于細(xì)長結(jié)構(gòu)，橫向風(fēng)力的作用大于順風(fēng)向的作用；空塔在臨界風(fēng)速下發(fā)生一階共振時(shí)，應(yīng)力水平最苛刻的位置在塔體下封頭與裙座連接處.本文提供了一種分析風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的數(shù)值方法，對于該算例中的塔而言，不會(huì)在橫向風(fēng)振時(shí)發(fā)生疲勞破壞.

6 結(jié) 論

以單塔為研究對象，對其進(jìn)行了完整的風(fēng)振分析.得出以下一些結(jié)論：

a.使用定常的RNG模型計(jì)算塔設(shè)備的風(fēng)載荷是可行的，本文采用RNG k-ε湍流模型結(jié)合非平衡的壁面函數(shù)，SIMPLEC離散格式對設(shè)備承受的風(fēng)載荷進(jìn)行了模擬.

b.在Fluent計(jì)算結(jié)果中提取順風(fēng)向、橫風(fēng)向彎矩，作為ANSYS結(jié)構(gòu)分析的輸入載荷進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，提供了一種新的、可行的風(fēng)載荷輸入方法.

c.對于文中的塔而言，一階頻率下的振動(dòng)可以通過疲勞強(qiáng)度分析.

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（編輯：金 虹）

Failure Analysis on Wind-induced Vibration of the Single Column

SUWen-xian1， JIN Yu-long1， HANChao2
（1.College of Power Engineering，University of Shanghai for Scienace and Technology，Shanghai 200093，China；2.Equipment Department，China HuanQiu Contracting and Engineering Corp，Beijing 100028，China）

By numerical simulation based on the fluid field analysis software Fluent and the structure analysis software ANSYS，the wind induced vibration of a 130-meter high column was analysed and the fatigue endurance was calculated according to the code of JB4732 with the obtained stress distribution.The results show that the effect of cross-wind is greater than that of along-wind for slender structure，and when first-order resonance occurs on an empty tower under critical wind speed，the worst dangerous region of stress is in the joint of the lower header and the skirt.A feasible schedule of numerical simulation was offered，which is of practical Calue for academic study and engineering application.

column；wind-induced vibration；numerical simulation

TQ 053.5

A

1007-6735（2013）04-0391-06

2012-10-24

蘇文獻(xiàn)（1967-），男，副教授.研究方向：過程設(shè)備設(shè)計(jì)與有限元分析.E-mail：digestsu＠163com