門(mén)式起重機(jī)風(fēng)力系數(shù)仿真研究

張建輝 王 堅(jiān)

南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司 南通 2260013

0 引言

隨著港口運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，門(mén)式起重機(jī)的數(shù)量也在不斷增多，而港口處風(fēng)力較大，會(huì)對(duì)門(mén)式起重機(jī)造成一定影響，故在門(mén)式起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常要考慮設(shè)計(jì)載荷。此外，為了設(shè)計(jì)的合理性與放置設(shè)計(jì)過(guò)度，需要獲得門(mén)式起重機(jī)分離箱梁與支腿的風(fēng)力系數(shù)。

目前，關(guān)于門(mén)式起重機(jī)風(fēng)力系數(shù)仿真研究較少。文獻(xiàn)[1]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值仿真方法分析分離箱梁的風(fēng)力系數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)分離箱梁相較于單梁有減阻優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[2]選取5 種湍流模型對(duì)集裝箱起重機(jī)進(jìn)行風(fēng)載荷數(shù)值模擬仿真研究，通過(guò)結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)Standard k-ε模型計(jì)算結(jié)果偏差較大，RNG k-ε模型較好，但收斂性差；文獻(xiàn)[3]使用CFD 方法對(duì)箱梁斷面靜風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)選取不同的網(wǎng)格密度研究對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果的影響，模型不同攻角下的三分力系數(shù)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真的可靠性。對(duì)于分離箱梁截面目前研究較多，但支腿處風(fēng)力系數(shù)的研究較少，為此，本文針對(duì)某門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，采用RSM 湍流模型計(jì)算出分離箱梁與支腿處風(fēng)力系數(shù)，研究周?chē)鲌?chǎng)特性變化。

1 數(shù)值理論

流體運(yùn)動(dòng)需要遵守其基本控制方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程與能量守恒方程。由于本文研究的是門(mén)式起重機(jī)在直流風(fēng)作用下的風(fēng)載系數(shù)，其能量變化可忽略不計(jì)，故只需考慮連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程即可。

選取雷諾應(yīng)力模型（RSM）對(duì)連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程進(jìn)行求解。雷諾應(yīng)力模型是迄今較符合物理解的湍流模型，該模型在三維流動(dòng)加入7 個(gè)方程[4]，能更好地模擬支腿處氣流的分離現(xiàn)象。典型的線性Pressure-Strain 模型控制方程可表示為

2 仿真分析

2.1 分離箱梁門(mén)式起重機(jī)模型

圖1 為門(mén)式起重機(jī)三維模型，主要由分離箱前后梁、柔性支腿、剛性支腿組成，并對(duì)門(mén)式起重機(jī)上的小車(chē)、欄桿等部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，主要考慮其基本的幾何外形。模型采用1：40的縮比，模型的長(zhǎng)、寬、高分別約為0.29 m、4.41 m、2.178 m。

圖1 三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

通過(guò)Workbench 中Mesh 模塊對(duì)門(mén)式起重機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算域設(shè)置如圖2 所示，B為模型寬度，此外對(duì)模型表面進(jìn)行加密，總體網(wǎng)格數(shù)量為526 萬(wàn)。表1 為計(jì)算域邊界條件設(shè)置。

圖2 計(jì)算域設(shè)置示意圖

表1 計(jì)算與邊界條件設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

3.1 壓力分布

由圖3 所示門(mén)式起重機(jī)壓力部分云圖可知，分離箱梁前迎風(fēng)面與剛性支腿前腿迎風(fēng)面受力面積較大。氣流在經(jīng)過(guò)分離箱梁前迎風(fēng)面后在前梁與后梁之間形成死水區(qū)；柔性支腿的壓力分布較平均，柔性支腿前腿與后腿迎風(fēng)面均有面積相差較小的正壓區(qū)域。而在剛性支腿處，由于剛性支腿迎風(fēng)面積較大，且形狀呈現(xiàn)上大下小的趨勢(shì)，導(dǎo)致氣流經(jīng)過(guò)剛性支腿處流場(chǎng)變化復(fù)雜，可以明顯看出剛性支腿的后腿迎風(fēng)面僅在下方有正壓區(qū)域，受力較為不均勻。

圖3 門(mén)式起重機(jī)壓力分布

3.2 速度分布

圖4、圖5 為門(mén)式起重機(jī)速度分布流線圖。氣流經(jīng)過(guò)分離箱梁后流線區(qū)域紊亂，并在分離箱梁空腔內(nèi)與分離箱梁后方區(qū)域產(chǎn)生各種尺度漩渦。在柔性支腿處，由于柔性支腿迎風(fēng)面積小，分離箱梁與柔性支腿連接處速度流線變化較小，而在剛性支腿與分離箱梁連接處受到剛性支腿形狀影響，氣流經(jīng)過(guò)剛性支腿后有向上趨勢(shì)，并與經(jīng)過(guò)分離箱梁的氣流互相影響，導(dǎo)致該處氣流變化劇烈。由于柔性支腿迎風(fēng)面積小，氣流經(jīng)過(guò)柔性支腿處后流線無(wú)明顯變化，流線呈現(xiàn)平行，在柔性支腿左右兩側(cè)速度較大，在柔性支腿背風(fēng)面附近速度與來(lái)流方向相反。由于受到剛性支腿形狀影響，剛性支腿處的氣流經(jīng)剛性支腿前腿迎風(fēng)面后在背風(fēng)面處形成各種尺度漩渦，部分氣流在經(jīng)過(guò)剛性支腿后腿后開(kāi)始逐漸上升與分離箱梁后的氣流進(jìn)行融合。

圖4 分離箱速度流線

圖5 支腿速度分布

3.3 風(fēng)力系數(shù)

為了研究分離箱的氣動(dòng)特性，將分離箱分為7 段，如圖6 所示。在截面上布置壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，此外對(duì)柔性支腿與剛性支腿處也布置有監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將-3/L～3/（8L）編號(hào)為1～7，總分離箱梁風(fēng)力系數(shù)編號(hào)為8，柔性支腿與剛性支腿為9～10。圖7 為關(guān)鍵截面、柔性支腿與剛性支腿處的風(fēng)力系數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，從圖中可以看出，RSM 湍流模型對(duì)門(mén)式起重機(jī)數(shù)據(jù)擬合良好，總誤差在5%左右，偏差主要集中在分離箱梁關(guān)鍵截面處。從圖中可以看出，在分離箱梁兩端風(fēng)力系數(shù)較大，靠近中心處風(fēng)力系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。柔性支腿由于面積較小，受到氣流影響較低，而剛性支腿處氣流變化劇烈多變，風(fēng)力系數(shù)也呈現(xiàn)較高的數(shù)值。

圖6 關(guān)鍵截面示意圖

圖7 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)柔性支腿與剛性支腿進(jìn)一步分析，分別切割相應(yīng)面（見(jiàn)圖8、圖9），其風(fēng)力系數(shù)見(jiàn)表2、表3。從表中可以看出，柔性支腿前腿迎風(fēng)面處風(fēng)力系數(shù)均處于負(fù)值，最小值在上部位置，中部與底部的風(fēng)力系數(shù)接近；在背風(fēng)面處風(fēng)力系數(shù)較大，頂部與底部的風(fēng)力系數(shù)接近。在柔性支腿后腿迎風(fēng)面處變化趨勢(shì)與前腿迎風(fēng)面相似，但風(fēng)力系數(shù)更低，背風(fēng)面處頂部風(fēng)力系數(shù)最大，并隨高度的降低而逐漸減小。柔性支腿的風(fēng)力系數(shù)在頂部絕對(duì)值均較大，背風(fēng)面處風(fēng)力系數(shù)均大于迎風(fēng)面風(fēng)力系數(shù)。而剛性支腿由于其周?chē)鲌?chǎng)變化復(fù)雜，且各截面迎風(fēng)面積不同，風(fēng)力系數(shù)最大值出現(xiàn)在后腿的背風(fēng)面底部位置，其余風(fēng)力系數(shù)較大值均出現(xiàn)在流動(dòng)劇烈的頂部位置。在后腿迎風(fēng)面處風(fēng)力系數(shù)變化較大，由于流線在經(jīng)過(guò)前腿后上升，導(dǎo)致后腿迎風(fēng)面上中部負(fù)壓狀態(tài)，風(fēng)力系數(shù)為負(fù)值，在底部則為正值。整體來(lái)看，剛性支腿較柔性支腿風(fēng)力系數(shù)變化幅度較大。

圖8 柔性支腿測(cè)試面分布

圖9 剛性支腿測(cè)試面分布

表2 柔性支腿風(fēng)力系數(shù)

表3 剛性支腿風(fēng)力系數(shù)

4 結(jié)論

1）分離箱梁風(fēng)力系數(shù)呈現(xiàn)兩邊大中間小的變化趨勢(shì)，靠近柔性支腿連接處風(fēng)力系數(shù)較大；

2）柔性支腿由于迎風(fēng)面積小，氣流經(jīng)過(guò)柔性支腿無(wú)明顯變化；剛性支腿由于迎風(fēng)面積上大下小，導(dǎo)致周?chē)鲌?chǎng)變化劇烈，風(fēng)力系數(shù)在后腿背風(fēng)面底部位置處于最大值；

3）在分離箱與支腿連接處，受到氣流分離影響，柔性支腿與剛性支腿頂部風(fēng)力系數(shù)絕對(duì)值均較大。

利用CFD 數(shù)值仿真分析的方法對(duì)門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行外流場(chǎng)仿真，提取分離箱梁與支腿的風(fēng)力系數(shù)，對(duì)后期風(fēng)載計(jì)算提供較為可靠與精確的數(shù)據(jù)。