李 艷

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系 南通226010）

自卸臂箱型結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷數(shù)值模擬研究

李 艷

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系 南通226010）

以29 800 t大湖型自卸散貨船的自卸臂為例，利用計(jì)算流體軟件Fluent，對不同的長高比L/h、表面粗糙度及不同速度情況下的自卸臂箱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。分析比較計(jì)算結(jié)果，得出風(fēng)力系數(shù)在不同的長高比和表面粗糙度的變化，為后續(xù)的自卸臂風(fēng)阻計(jì)算提供參考依據(jù)。

自卸臂；數(shù)值模擬；長高比；表面粗糙度；風(fēng)力系數(shù)

引 言

自卸船是依靠貨物自身重力，通過船體本身自帶運(yùn)輸裝置可以將貨物卸至碼頭的散貨船。它最早起源于北美五大湖地區(qū)，該地區(qū)的散貨運(yùn)輸主要由自卸船承擔(dān)。自卸船的運(yùn)輸裝置常采用甲板懸臂式卸貨結(jié)構(gòu)（下稱“自卸臂”），目前國內(nèi)對自卸臂風(fēng)阻性能的研究還較少。

本文以某廠建造的29 800 t大湖型自卸散貨船的自卸臂為例，比較研究在不同的長高比L/h和表面粗糙度情況下的自卸臂風(fēng)力系數(shù)的變化［1-4］。

1 數(shù)值模擬

自卸臂為箱型結(jié)構(gòu)。箱型結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積與其他結(jié)構(gòu)形式相比較大，該結(jié)構(gòu)的風(fēng)響應(yīng)主要體現(xiàn)于靜態(tài)風(fēng)壓和動態(tài)風(fēng)振效果。

1.1 建立計(jì)算模型

1.1.1 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算的湍流模型采用兩方程的標(biāo)準(zhǔn)K-ε（湍流動能—湍流耗散率）模型。壓力速度解耦采用Simple 算法。壓力方程采用標(biāo)準(zhǔn)的離散格式進(jìn)行離散，動量方程和湍動能及湍動能耗散率方程均采用一階離散格式。

1.1.2 模型與網(wǎng)格劃分

自卸臂長L為84 m，橫截面為長方形，長方形四頂角有倒圓。自卸臂寬D為3.7 m、高h(yuǎn)為2.6 m。數(shù)值計(jì)算模型以1：100縮放比進(jìn)行建模。

不同的模型流域尺寸各不相同，計(jì)算流域均采用長方體流域

式中：L為自卸臂計(jì)算模型的長度；h為自卸臂計(jì)算模型的迎風(fēng)面高度；D為自卸臂計(jì)算模型的截面寬度。

模型與流域出口的距離為30倍的模型高度，與流域進(jìn)口的距離為5倍的模型寬度。流域高為8倍的模型高度，流域?qū)挒?倍的模型長度。坐標(biāo)原點(diǎn)為卸貨臂中心；X 方向指自卸臂模型的寬度方向；Y 方向沿自卸臂模型的長度方向；Z 方向沿高度方向，向上為正。計(jì)算域參數(shù)設(shè)置見圖1。整個(gè)計(jì)算域被劃分成10個(gè)部分，均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)約150萬個(gè)左右，見圖2。

1.1.3 邊界條件和計(jì)算工況

1.1.3.1 邊界條件

邊界包括入口、出口和壁面。速度入口：距離自卸臂坐標(biāo)原點(diǎn)在X的負(fù)方向的5D處，計(jì)算時(shí)速度垂直于入口邊界；壓力出口：距離自卸臂坐標(biāo)原點(diǎn)在X的正方向的30D處，設(shè)定為壓力出口，壓力為未受擾動時(shí)的邊界壓力；壁面：整個(gè)自卸臂模型表面，設(shè)定為無滑移條件，即壁面速度為0。［5］

1.1.3.2 計(jì)算工況

結(jié)構(gòu)表面處理為光滑表面和表面粗糙度為0.05 mm的模型，數(shù)值試驗(yàn)的入流速度分別設(shè)為2 m/s、10 m/s。計(jì)算模型的長高比有兩組：一組保持模型長度不變，h分別取值0.024、0.026、0.028、0.032；一組保持h = 0.026不變，L取值0.52、0.78、0.84。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 迎風(fēng)面高度h變化的影響

下頁圖3和圖4是一系列長度不變、迎風(fēng)面高不同（h = 0.024、0.026、0.028、0.032）的自卸臂模型表面風(fēng)壓分布值，表面粗糙度為0.05 mm、入流速度為2 m/s。由圖可得出結(jié)論：不管模型的長高比怎么變化，靜壓和動壓的分布趨勢均無明顯變化；壓力值的范圍隨著迎風(fēng)面高度的增大而增大，且漩渦脫落點(diǎn)的位置及漩渦脫落區(qū)域的大小有所變化。

1.2.2 不同粗糙度下的影響

圖5是光滑表面和表面粗糙度為0.05 mm時(shí)的阻力系數(shù)和升力系數(shù)的三維模擬結(jié)果曲線。從圖中可見自卸臂三維模型在粗糙度不同的情況下阻升力系數(shù)變化均很小，可能是因表面粗糙度較小之故。

1.2.3 入流速度變化的影響

圖6是在入流速度分別為2 m/s、10 m/s的阻力系數(shù)和升力系數(shù)的三維模擬結(jié)果曲線。計(jì)算時(shí)，表面粗糙度均為0.05 mm。從圖中可以看出，相對較低的速度下，長高比變化引起的阻升力系數(shù)變化均不明顯；而較高速度下，升力系數(shù)隨著長高比變化而變化明顯。

1.2.4 自卸臂長度變化的影響

圖7、圖8和圖9分別是表面粗糙度為0.05 mm時(shí)，不同長高比（h = 0.026 m，L = 0.52 m、0.78 m、0.84 m）下的阻力系數(shù)和升力系數(shù)的三維模擬結(jié)果曲線及風(fēng)壓分布。從圖7中可見，自卸臂三維模型的阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化規(guī)律相似。從圖8和圖9中可知，風(fēng)壓分布變化不明顯。

2 結(jié) 論

本文基于計(jì)算流體軟件Fluent，著重對自卸臂箱型結(jié)構(gòu)模型的風(fēng)載荷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)研究了箱型結(jié)構(gòu)在不同尺寸比與流動參數(shù)下的阻力和升力系數(shù)值的變化情況。從結(jié)果上看，自卸臂的長高比、結(jié)構(gòu)表面粗糙度以及風(fēng)速（雷諾數(shù)）的變化等都對自卸臂的風(fēng)力系數(shù)產(chǎn)生影響。此外，給出了高雷諾數(shù)下粗糙構(gòu)件的風(fēng)力系數(shù)值，并且對自卸臂的風(fēng)載荷計(jì)算作了必要的補(bǔ)充與說明。該研究對今后的自卸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尺寸的選取提供了參考。

［1］嚴(yán)?。x岸深水港口大型設(shè)備群風(fēng)載荷計(jì)算方法研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［2］胡金昌．岸邊集裝箱起重機(jī)的風(fēng)振響應(yīng)分析及風(fēng)振控制［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［3］董國朝.鈍體繞流及風(fēng)致振動流固耦合的CFD研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2011.

［4］張學(xué)敏.橋梁風(fēng)效應(yīng)數(shù)值模擬研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2014.

［5］田洪德，商偉軍，鄒華敏.岸邊集裝箱起重機(jī)風(fēng)載荷數(shù)值模擬研究［J］.港口機(jī)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 艷（1981-），女，碩士，講師。研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)。

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