圍油欄布放舵柵板結(jié)構(gòu)及外流場(chǎng)數(shù)值模擬

許少新，李珍珍，徐 烺，楊軍社，張 強(qiáng)，張 揚(yáng)，張 璇，喬彥軍

（1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東 廣州511400；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

1 引言

圍油欄布放舵屬于溢油后回收系統(tǒng)裝置上的核心元器件，廣泛應(yīng)用于河流、運(yùn)河、淺海等流域，用于溢油后的對(duì)水面浮油的圍困[1-3]，主要面向的客戶群是石油溢油后搶維回收的市場(chǎng)[4-9]。其主要作用是能夠僅利用水流動(dòng)能而不需要其他動(dòng)能就可以拉動(dòng)圍油欄進(jìn)行自動(dòng)布放，圍困水面溢油，從而進(jìn)行回收，顯著減少人力物力成本，并明顯提高效率。所以，對(duì)于圍油欄布放舵的推進(jìn)裝置即欄體組件上的柵板，其設(shè)計(jì)就顯得尤為主要，否則實(shí)現(xiàn)不了在水流下自動(dòng)布放的功能。

2 圍油欄布放舵結(jié)構(gòu)及原理

圍油欄布放舵主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：欄體組件、連桿組件、尾翼組件、控制舵組件、回復(fù)彈簧組件、浮子組件、圍擋組件以及繩索附件等，具體照片和結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

使用布放舵時(shí)，系泊繩需用陸地錨或其他固定裝置固定好，然后在水流中放置布放舵，當(dāng)圍油欄與布放舵連接完成后，布放舵不需要使用其他動(dòng)力即可使用，利用水流力量推進(jìn)布放舵迎著水流運(yùn)動(dòng)，并由布放舵牽引圍油欄，將幾十米甚至一百多米的圍油欄拉展開來，最終布放舵達(dá)到預(yù)期位置，布放過程自動(dòng)平衡。整個(gè)裝置工作時(shí)，欄體組件是圍油欄布放舵的動(dòng)力組件，它能夠充分利用水流的動(dòng)能，就像風(fēng)箏利用風(fēng)能一樣，達(dá)到自動(dòng)布放的目的。

浮子組件和尾翼組件提供整體的浮力和平衡?？刂贫嬗糜谡{(diào)節(jié)裝置在水中的方向，在從水中收回布放舵使用，可通過拉動(dòng)控制繩使控制舵轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而改變水流方向，進(jìn)而使控制舵整體改變方向；運(yùn)行過程中，通過拉放繩索調(diào)整其運(yùn)動(dòng)方向，并借助彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。圍油欄布放舵圖如圖1所示，圍油欄布放舵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1圍油欄布放舵圖

圖2圍油欄布放舵結(jié)構(gòu)

3 圍油欄布放舵柵板結(jié)構(gòu)

圍油欄布放舵的欄體組件是圍油欄布放舵的關(guān)鍵組件，是整個(gè)裝置的推進(jìn)部分，材料為鋁合金，并進(jìn)行表面防腐處理，材質(zhì)輕且具有抗腐蝕能力。其柵板結(jié)構(gòu)采用13片弧狀及直線段組合的截面形狀的柵板，此結(jié)構(gòu)是柵板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。欄體組件的柵板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圍油欄布放舵欄體組件，包括兩個(gè)底板和安裝在兩個(gè)底板之間的多個(gè)柵板，各柵板的橫截面形狀為圓弧形或部分段為圓弧形截面，且其中位于中間部位的多個(gè)柵板的橫截面形狀相同，其余柵板及中間部位任一柵板的橫截面形狀彼此不同。多個(gè)柵板的橫截面均設(shè)有圓弧形截面，圖3中，由右到左的方向依次為柵板1、柵板2、柵板3（一組）、柵板4，所述柵板3為多個(gè)柵板；第三組柵板中的各柵板橫截面形狀相同。

圖3欄體組件的柵板結(jié)構(gòu)圖

水流以垂直于柵板縫隙的方向流過柵板時(shí)，柵板特定的形狀改變了水流流向及受力，利用柵板的結(jié)構(gòu)形狀產(chǎn)生對(duì)圍油欄布放舵的推力，能夠使圍油欄布放舵不需要其他動(dòng)力，就能達(dá)到牽引圍油欄自動(dòng)布放的目的，從而使得布放舵以垂直于岸邊的方向運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到最終各力的平衡。

4 布放舵外流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬

圍油欄布放舵柵板的迎流角度和柵板之間的布置方式對(duì)圍油欄的工作性能具有重要影響。柵板迎流角度和布置方式直接影響圍油欄能否快速準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，同時(shí)能夠與系泊繩和圍油欄形成的平面力系相平衡。布放舵的柵板可以看成是與飛機(jī)機(jī)翼類似的具有迎風(fēng)面的翼型形狀。其翼型上下兩端產(chǎn)生的壓差即是其實(shí)現(xiàn)無人布放的重要?jiǎng)恿?，如圖4所示。在圍油欄布放舵中，水流對(duì)柵板的壓力差即為布放舵柵板的動(dòng)力。本例是關(guān)于圍油欄布放舵的流場(chǎng)模擬問題。

圖4飛機(jī)機(jī)翼升力示意圖

布放舵外流場(chǎng)的數(shù)值仿真的主要工作包括以下幾個(gè)部分：選取研究對(duì)象，建立幾何模型，根據(jù)布放舵外流場(chǎng)的具體流動(dòng)問題選定求解區(qū)域和流動(dòng)控制方程，確定相應(yīng)的求解條件，然后將微分方程離散到網(wǎng)格上進(jìn)行求解。仿真計(jì)算首先需要在求解域內(nèi)構(gòu)造網(wǎng)格，然后才能進(jìn)行離散求解。

4.1 建立模型

4.1.1 通過SolidWorks對(duì)柵板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模

三維模型如圖5所示?？紤]到柵板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可將柵板的三維模型簡化為二維結(jié)構(gòu)模型，即取柵板的長度方向的投影面為柵板的形狀，柵板的二維模型如圖6所示。在計(jì)算得到柵板在長度方向上的投影面的水流作用力后，對(duì)整個(gè)面在長度方向進(jìn)行積分運(yùn)算，得出整個(gè)柵板的受力大小。

圖5柵板三維模型示意圖

圖6柵板二維模型示意圖

4.1.2 確定外流場(chǎng)計(jì)算域

計(jì)算域的大小以布放舵周圍受到可以忽略不計(jì)的擾動(dòng)的區(qū)域?yàn)榻缦?。參考船舶流速與圍油欄布放舵的相近性，本文參考風(fēng)洞的阻塞比為1%經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行布放舵流域的選取。因?yàn)橹挥凶枞鹊陀?%的試驗(yàn)結(jié)果，阻塞所產(chǎn)生的誤差才能被忽略。所以，本例計(jì)算域的大小主要考慮的依據(jù)為虛擬風(fēng)洞的阻塞比不大于1%，風(fēng)洞阻塞比ε的計(jì)算公式為：

式（1）中：ε為阻塞比；A為布放舵的正投影面積；AN為計(jì)算域入口的面積。

最終確定的流域如圖7所示。

圖7流域示意圖

4.2 網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS ICEM CFD作為前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其能夠很好地劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格。本文對(duì)布放舵流域進(jìn)行了分區(qū)域網(wǎng)格劃分，在來流前段以及經(jīng)過布放舵柵板后段的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較為稀疏，在靠近柵板附近網(wǎng)格劃分較為密集。對(duì)柵板壁面的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最終網(wǎng)格劃分為總的網(wǎng)格數(shù)為15 372，節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 773，柵板網(wǎng)格如圖8所示。

4.3 理想流體與粘性流體的選擇

流體的粘性系數(shù)較小，相應(yīng)的流動(dòng)流體的剪切應(yīng)力也會(huì)特別小，則與流動(dòng)流體的其他力相比就可以忽略不計(jì)，稱之為理想流體或者無粘流體，通常定義粘性系數(shù)為0；否則，稱之為粘性流體或真實(shí)流體。在本例中，流動(dòng)的介質(zhì)為水，如果忽略了剪切應(yīng)力，則在布放舵的表面，由于其加工粗糙度引起的粘性阻力就會(huì)消失。顯然，粘性阻力如果消失，就會(huì)使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差太大，因此，本文選擇的流體為粘性流體。

圖8網(wǎng)格劃分

4.4 層流和湍流的選擇

流體的流動(dòng)分為層流和湍流。本例中雷諾數(shù)大小約為106，遠(yuǎn)超過2 320，因此，在本例中流體定義為湍流流動(dòng)。

4.5 邊界條件設(shè)定

考慮到本例中的水流條件，可以認(rèn)為水介質(zhì)為不可壓縮流動(dòng)，可以采用velocity-inlet為入口邊界條件。在此需要對(duì)入口速度大小和方向給出定義。這個(gè)邊界條件用于定義在流動(dòng)入口處的流動(dòng)速度以及其他相關(guān)流動(dòng)變量。該邊界條件適合不可壓縮流動(dòng)。

出口則采用完全發(fā)展出流（out-flow）邊界條件。Out-flow適用于出口邊界的速度和壓力都未知，同時(shí)出口處流動(dòng)為完全發(fā)展的情況。完全發(fā)展指的是出流部分的情況是由內(nèi)部區(qū)域流動(dòng)外推得到的，并對(duì)前端的流動(dòng)沒有影響。

4.6 計(jì)算結(jié)果

入口速度設(shè)置為5 m/s，且其速度為恒定，本例僅針對(duì)其在穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況討論。

柵板附近三維流線圖如圖9所示、柵板附二維近流線圖如圖10所示，水流經(jīng)過柵板時(shí)的路徑為沿著柵板壁面流動(dòng)，水流速度方向由原來的垂直于進(jìn)口壁面方向改變?yōu)檠刂鴸虐宄隹谔幍那芯€方向，進(jìn)而水流沖擊圍擋，會(huì)給布放舵整體一個(gè)推力，即布放舵的動(dòng)力來源。

圖9柵板附近三維流線圖

圖10柵板附二維近流線圖

柵板壁面（凹面）壓力圖如圖11所示、柵板附近水流壓力圖如圖12所示，流體流經(jīng)柵板時(shí)，在每一塊柵板的上下壁面會(huì)出現(xiàn)壓力差。在圖示的最右側(cè)壓差最大，依次向左逐漸遞減，直至最左側(cè)壓差減為最小。本質(zhì)上是水流壓力差提供了布放舵的動(dòng)力。

圖11柵板壁面（凹面）壓力圖

圖12柵板附近水流壓力圖

柵板附近水流速度如圖13所示，緊鄰柵板壁面的水流速度很小，甚至基本為0；連桿端一側(cè)的水流速度較小，而遠(yuǎn)離連桿一側(cè)的水流逐漸增大，在末端基本達(dá)到峰值，能夠達(dá)到5 m/s的水流速度；在經(jīng)過柵板的下游水流，遠(yuǎn)離連桿端，有一扇形區(qū)域?yàn)榛眷o止水流。

圖13柵板附近水流速度圖

依據(jù)之前的假設(shè)，柵板放置在具有恒定流速的水流中。在后處理中可以得出在不同流速時(shí)布放舵柵板上水流作用力的大小。此處選取三組工況進(jìn)行說明，水流速度分別為0.3 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s。其余環(huán)境參數(shù)均認(rèn)為一致且不隨時(shí)間發(fā)生變化，故而此處只有水流速度一個(gè)變量。

表1不同水流速度下柵板所受作用力的大小

5 結(jié)論

由以上結(jié)果可知，提供圍油欄布放舵的動(dòng)力的柵板結(jié)構(gòu)十分重要，布放舵柵板的結(jié)構(gòu)形式可以在柵板的上下壁面之間產(chǎn)生壓差，進(jìn)而作為布放舵的動(dòng)力使其在布放初始階段沿著與水流基本垂直的方向運(yùn)動(dòng)。因此，采用特定尺寸的弧狀柵板結(jié)構(gòu)的圍油欄布放舵能夠較好地實(shí)現(xiàn)布放的功能。