周小莊，項輝宇，張 勇 ，孫 超，李婷婷

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100013)

基于ANSYS的充氣滑梯外流場的數(shù)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(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100013)

為研究充氣滑梯風(fēng)載下的受力特點(diǎn)，確保充氣滑梯的安全運(yùn)營，將SIMPLIC算法與湍流模型相結(jié)合，基于計算流體動力學(xué)對充氣滑梯外流場進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。首先運(yùn)用Ansys Workbench建立充氣滑梯三維模型;然后采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格離散求解區(qū)域，設(shè)定邊界條件，著重進(jìn)行了不同風(fēng)向下的迎風(fēng)面分析，以及不同風(fēng)速下的最大風(fēng)壓和表面風(fēng)壓的分布研究;最后根據(jù)仿真結(jié)果，為充氣滑梯結(jié)構(gòu)及迎風(fēng)設(shè)計提出了改進(jìn)方案。

充氣滑梯；ANSYS；計算流體動力學(xué)；風(fēng)壓分布；數(shù)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(fēng)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(fēng)掀翻，兩個孩子被壓在充氣城堡下，一名兒童當(dāng)場死亡，另一名兒童腿部骨折；2014年5月31日，廈門明發(fā)商業(yè)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(yè)敲響警鐘。作為一種由柔性織物制作的新型娛樂設(shè)施，充氣滑梯通過內(nèi)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(jié)構(gòu)，對風(fēng)荷載十分敏感，其結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的受力特性及流場情況也深受行業(yè)關(guān)注，因此對充氣滑梯風(fēng)載下的安全穩(wěn)定性進(jìn)行空氣動力學(xué)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著計算機(jī)技術(shù)和湍流理論的高速發(fā)展，計算流體力學(xué)(Calculation Fluid Dynamics，CFD)方法被廣泛運(yùn)用于各類空氣動力學(xué)研究中，如南京航空航天大學(xué)的高速轎車車身前部外流場數(shù)值模擬[3]；中國礦業(yè)大學(xué)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(xué)研究院的典型覆冰導(dǎo)線空氣動力學(xué)特性數(shù)值和試驗?zāi)M[5]；華東理工大學(xué)的基于Fluent的攪拌反應(yīng)罐流場的優(yōu)化研究[6]；等等。通過各領(lǐng)域的計算流體學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法模擬設(shè)施表面風(fēng)場并求解表面風(fēng)壓，相比于風(fēng)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(jié)約了資金，提高了研究效率[7-10]。但目前國內(nèi)外有關(guān)充氣滑梯流固耦合外流場的研究文獻(xiàn)極少，充氣滑梯在風(fēng)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(xué)對不同風(fēng)況下充氣滑梯的流場特性進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真研究，通過仿真結(jié)果與計算數(shù)據(jù)的橫縱向?qū)Ρ?，證明了數(shù)值模擬方法的可行性，并在此研究的基礎(chǔ)上，為充氣滑梯結(jié)構(gòu)及迎風(fēng)設(shè)計提出了改進(jìn)建議。

1 仿真模型

本文依據(jù)鄭州市臥龍游樂設(shè)備有限公司的沖浪滑梯模型，考慮到計算機(jī)硬件條件以及計算時間，結(jié)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(yùn)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(shè)置為沿充氣滑梯長度方向。經(jīng)UG軟件測量，充氣滑梯三維模型的側(cè)面、正面(非水平面)、背面的迎風(fēng)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(yīng)以不出現(xiàn)回流效應(yīng)為準(zhǔn)[11]，故計算區(qū)域需足夠大。前部取充氣滑梯3倍設(shè)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(shè)施長，使尾流區(qū)氣流流動狀態(tài)得以充分顯現(xiàn)；側(cè)面取充氣滑梯5倍設(shè)施寬，以正確反映側(cè)圍繞流的真實(shí)情況；上部取充氣滑梯4倍設(shè)施高，以降低上邊界氣流繞流影響。以側(cè)面迎風(fēng)為例，充氣滑梯的計算模型如圖2所示，此時風(fēng)速方向沿z軸負(fù)方向，前部取充氣滑梯3倍設(shè)施長，后部取充氣滑梯6倍設(shè)施長，側(cè)面取充氣滑梯5倍設(shè)施寬，上部取充氣滑梯4倍設(shè)施高，則風(fēng)場計算區(qū)域為x×y×z=50 m×24 m×60 m。

由于整個流體的待求解區(qū)域較大，設(shè)施表面比較復(fù)雜，為了能夠同時兼顧準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格離散求解區(qū)域，同時對靠近設(shè)施表面的壁面邊界層網(wǎng)格進(jìn)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(wǎng)格數(shù)約15×105，充氣滑梯外流場沿xy平面網(wǎng)格劃分的剖面圖如圖3所示。

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流體密度為1.24 kg/m3，溫度為24℃，運(yùn)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(fēng)速遠(yuǎn)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(yōu)，對有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流現(xiàn)象能有更好的預(yù)測結(jié)果[12]，本文采用Realizablek-ε有限差分法求解流場區(qū)域，精度選擇二階迎風(fēng)格式，并采用SIMPLIC算法對求解區(qū)域的速度場和壓力場進(jìn)行耦合。

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

(1)

(2)

對應(yīng)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(shù)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(jìn)行詳細(xì)的劃分。對待求解區(qū)域，主要劃分為入口邊界(inlet)、出口邊界(outlet)、設(shè)施壁面(wall1)、地面(ground)和壁面(wall2)五部分，如圖2中標(biāo)示。當(dāng)求解區(qū)域?qū)ΨQ時，取原有模型一半進(jìn)行分析以簡化計算，此時設(shè)置部件對稱面(sym)。

為研究不同風(fēng)速對充氣滑梯表面受壓的影響，入口邊界分別選取6級風(fēng)、7級風(fēng)、8級風(fēng)對應(yīng)風(fēng)速11m/s、14m/s、17m/s作為來流方向速度，出口邊界設(shè)為壓力出口，相對壓力為0。由于常態(tài)大風(fēng)下湍流強(qiáng)度不大，這里取實(shí)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(jīng)驗公式計算得dH=2.1m。設(shè)施壁面、地面和壁面均為無滑動墻面，對稱面設(shè)置邊界條件對稱。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 迎風(fēng)面分析

為研究不同風(fēng)向?qū)Τ錃饣荼砻媸軌旱挠绊?，選取側(cè)面迎風(fēng)、正面迎風(fēng)、背面迎風(fēng)3種情況進(jìn)行仿真模擬[16]，圖4、圖5和圖6分別為在6級風(fēng)(11m/s)下充氣滑梯側(cè)面、正面、背面迎風(fēng)時表面風(fēng)壓分布圖。

由圖4、圖5和圖6可以看出：在同等風(fēng)速[6級風(fēng)(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(fēng)面上所受風(fēng)壓及最大風(fēng)壓均不同，其中側(cè)面迎風(fēng)最大風(fēng)壓為82.3Pa，正面迎風(fēng)最大風(fēng)壓為56.4Pa，背面迎風(fēng)最大風(fēng)壓為80.8Pa,可見此時充氣滑梯側(cè)面迎風(fēng)所受最大風(fēng)壓大于正面及背面迎風(fēng)情況。

本文將5級風(fēng)、6級風(fēng)、7級風(fēng)、8級風(fēng)、9級風(fēng)時，充氣滑梯側(cè)面、正面、背面迎風(fēng)時所受的最大風(fēng)壓繪制成折線圖，見圖7。

由圖7可以看出：在模擬的所有風(fēng)速情況下，充氣滑梯側(cè)面所受最大風(fēng)壓均大于正面及背面迎風(fēng)情況。故在實(shí)際使用中，應(yīng)盡量避免設(shè)施側(cè)面迎風(fēng)運(yùn)營；在試驗研究中，也應(yīng)使用迎風(fēng)面積最大的區(qū)域(如側(cè)面迎風(fēng)工況)進(jìn)行風(fēng)洞試驗及仿真模擬。

3.2 最大風(fēng)壓分析

本文采取表面風(fēng)壓最大的側(cè)面迎風(fēng)工況為主要研究對象，將仿真所得的風(fēng)壓最大值與基本風(fēng)壓、風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，其結(jié)果見表1，并將其繪制成風(fēng)壓折線圖,見圖8。

由表1和圖8可見，隨著風(fēng)速的增加，充氣滑梯設(shè)施表面所受的最大風(fēng)壓也隨之增大。通過設(shè)施表面最大風(fēng)壓與國標(biāo)公式計算所得基本風(fēng)壓和風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，仿真所得最大風(fēng)壓大于基本風(fēng)壓w0，小于風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值wk，其值約等于風(fēng)阻系數(shù)Cw取1.106時的風(fēng)載值。可見，仿真所得風(fēng)阻系數(shù)比較符合經(jīng)驗規(guī)律，但比實(shí)際風(fēng)阻系數(shù)略小，這是因為充氣滑梯模型是經(jīng)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(fēng)壓的影響。

表1 不同風(fēng)速下充氣滑梯側(cè)面風(fēng)壓值比較

3.3 表面風(fēng)壓分析

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

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

4 結(jié) 論

本文將SIMPLIC算法與湍流模型相結(jié)合，基于計算流體動力學(xué)對充氣滑梯外流場進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，得到以下結(jié)論：

(1) 充氣滑梯側(cè)面與來流方向垂直，所受風(fēng)壓最大。因此，在實(shí)際使用中，應(yīng)盡量避免充氣滑梯側(cè)面迎風(fēng)運(yùn)營。

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

(3) 當(dāng)風(fēng)向不變時，增大風(fēng)速只會使充氣滑梯設(shè)施表面風(fēng)壓增大，但設(shè)施表面的壓強(qiáng)分布基本不變。對于相同風(fēng)向，可使用極限風(fēng)速進(jìn)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(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目(201310239);北京工商大學(xué)研究生科研學(xué)術(shù)創(chuàng)新基金項目“基于流固耦合的充氣滑梯風(fēng)載穩(wěn)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(shè)施安全穩(wěn)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(jī)械CAD/CAM/CAE、模具CAE技術(shù)、游樂設(shè)施安全性等方面的研究。E-mail:xianghy@th.btbu.edu.cn