集装箱岸边起重机械基础知识（基于Fluent的岸边集装箱起重机外流场数值模拟）

集装箱岸边起重机械基础知识（基于Fluent的岸边集装箱起重机外流场数值模拟）3）可以考察流动的细微结构以及发展过程；2）实验受风洞以及实验条件的限制，只能使用较小模型在一定马赫数范围内开展，而计算流体力学可以在较为宽广的范围内考察整机的性能；贾志浩等人[1] 提出结论，在计算空气阻力系数方面，SST 模型比标准κ-ε 模型计算的结果更优势，由于SST 模型考虑了剪应力 所以 该模型计算的阻力比标准κ-ε 模型的结果更好。吴军等人[2] 利用简化模型采用SST 湍流模型进行仿真计算，并于实验结果比较得到湍流模拟与现实物理情况一致。玄兆燕等人[3] 使用RNGκ-ε 和SSTκ-ω 湍流模型模拟得到翼型随攻角变化的升阻力系数曲线，并与实验数据进行对比，得出SSTκ-ω 湍流模型更为准确。本文采用SST 湍流模型，以DPW 菲律宾ATI 港项目的岸桥为例，对岸桥模型的外流场进行数值模拟。1 计算流体力学计算流体力学是以流体力学为基础，以数值计算为工具，通过求解三大控

范 磊 梅驷俊 宗 晨 吕瑞军
上海振华重工（集团）有限公司 上海 200125

摘 要：针对岸边集装箱起重机进行外流场数值模拟，采用SolidWorks 对基于DPW 菲律宾ATI 港项目的岸边集装箱起重机以1:100 的比例进行几何建模，运用前处理软件Ansys ICEM 对模型进行处理，进行四面体非结构网格的划分。导入流体力学软件Ansys Fluent，采用SST 切应力运输模型，对岸边集装箱起重机模型的外流场进行数值模拟，经外流场数值模拟得出气动阻力值与欧洲起重机规范的理论风载荷计算结果一致，故该方法可以广泛推广于实际项目的风载荷计算。

关键词：岸边集装箱起重机；外流场；数值仿真；Ansys ICEM；Ansys Fluent

0 引言
随着船舶的大型化，岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的起升高度也不断加高，前伸距也不断加长，导致岸桥的重心也越来越高，风载荷对岸桥的影响也在进一步增强，定量的掌握风载荷对岸桥的影响对于岸桥的稳定性设计至关重要。

随着计算机技术的进步和湍流理论的深入研究和应用，计算流体力学作为一门新兴的学科在汽车等行业外流场分析中逐渐取代了风洞实验，成为研究空气动力学问题的重要手段。基于计算流体力学的众多优势，将计算流体力学应用于整机岸桥将会是行业未来 的趋势。

贾志浩等人[1] 提出结论，在计算空气阻力系数方面，SST 模型比标准κ-ε 模型计算的结果更优势，由于SST 模型考虑了剪应力 所以 该模型计算的阻力比标准κ-ε 模型的结果更好。吴军等人[2] 利用简化模型采用SST 湍流模型进行仿真计算，并于实验结果比较得到湍流模拟与现实物理情况一致。玄兆燕等人[3] 使用RNGκ-ε 和SSTκ-ω 湍流模型模拟得到翼型随攻角变化的升阻力系数曲线，并与实验数据进行对比，得出SSTκ-ω 湍流模型更为准确。

本文采用SST 湍流模型，以DPW 菲律宾ATI 港项目的岸桥为例，对岸桥模型的外流场进行数值模拟。

1 计算流体力学
计算流体力学是以流体力学为基础，以数值计算为工具，通过求解三大控制方程或附加方程，即连续性方程、动量方程、能量方程来获得相关参数，对流体问题进行分析的方法。相比实验流体力学和理论流体力学，计算流体力学的主要优点是[4]:
1）费用低，周期短，成本低；

2）实验受风洞以及实验条件的限制，只能使用较小模型在一定马赫数范围内开展，而计算流体力学可以在较为宽广的范围内考察整机的性能；

3）可以考察流动的细微结构以及发展过程；

4）可以模拟多种重要状态，如粘性效应、化学反应和非平衡状态等；

5）限制假设少，应用范围广，可以模拟复杂流场。

2 起重机结构上的风载荷
F.E.M 给出了一种简化的计算方法，并假定可以从任何方向以常速水平吹来，而风载荷对起重机结构的作用是静态的。而实际工程应用中风载荷响应类型众多，因此，给出结构的静力等效风载荷是一种行之有效的方法。

对于大多数整体的和局部的结构，以及起重机结构中使用的单根构件，由下式计算风载荷[5]：
F =A·q·C f式中：F 为风载荷，N；A 为结构部分的有效风面积，m2；q 为与相应设计工况对应的风压，N/m2； Cf 为结构沿着风向的风力系数。

3 岸桥外流场的数值模拟
岸桥外流场的数值模拟过程( 见图1) 是非常复杂，其中包括几何物理模型的准确性、网格系统的质量、湍流模型的选取、差分格式的构造、边界条件的添加等。以下结合具体算例和结果分析。

图1 岸桥外流场的数值模拟过程

3.1 几何模型
首先采用SolidWorks 2016 对 DPW 菲律宾ATI 港岸桥项目以1:100 的比例建模 该岸桥主要参数为: 前伸距44.5 m 后伸距12 m 轨距18.5 m 起升高度轨上37 m 轨下13 m 联系横梁下净空13.5 m 门框内宽16.76 m 整机宽度27 m。模型大小为202 mm×594 mm×950 mm（见图2）。这样主要是考虑到2 点：1）后续网格划分过程中减小计算量；2）通常真实的风洞实验，也会选择1:100 的比例制作ABS 材料的模型，方便数据、结论的比对。

图2 SolidWorks 建立岸桥模型

3.2 计算网格的生成
计算网格的划分是数值模拟过程中最为耗时的部分，网格生成占整个项目周期的80%~95%。同时，网格的质量很大程度上决定着数值模拟结果精确程度甚至数值模拟能否收敛。

本文采用Ansys ICEM CFD 中的非结构化网格生成方法——八叉树Octree 生成四面体智能网格（Tetra）和三棱柱边界层网格（Prism）。也尝试过利用非结构化网格生成方法——Delaunay 方法四面体智能网格（Tetra）和三棱柱边界层网格（Prism）以及自顶向下 O-grid 网格技术的六面体结构化网格划分，但并未取得很好的效果。计算网格生成步骤如下：
1）首先通过ICEM-CFD 与SolidWorks 的接口程序，直接导入新建的岸桥模型及确定计算域；

2）设置面网格、部分线网格、边界层网格参数以及网格加密区等；

3）生成网格；

4）检查网格质量，调整、提高网格质量，直至满足要求值；

5）保存网格文件；

6）最后输出Ansys Fluent 求解器文件；

3.3 物理模型
3.3.1 外流场建立
物理模型按照岸桥前面2 倍岸桥长、岸桥高低方向5 倍岸桥高、岸桥两侧方向5 倍岸桥宽、岸桥后面5 倍岸桥长。最终岸桥外流场大小设定为1 000 mm×3 000mm×7 000 mm。

3.3.2 马赫数
目前岸桥的最高车速约为50 km/h。而根据航空空气动力学的经验证实，当马赫数M a ≤ 0.3 时，可忽略气流的压缩性。岸桥绕流问题可以定性为定常、等温、不可压缩的三维流场，由于复杂外形会引起气流的分离，应按湍流处理。

3.3.3 雷诺数
本文模拟设定岸桥周围的流体是有粘性的空气气体，在海平面高度，一个标准大气压，15°时，空气密度ρ =1.205 kg/m3，动力粘性系数μ =1.81×10-5 N·s/m2，运动粘度υ =μ /ρ υ =1.502 07×10-5 m 2/s，风速v =20 m/s，这样，由计算域入口尺寸计算得到的雷诺数为
Re=υl/v =(20×7)/ 1.50207×10-5 远大于2 000（临界雷诺数）式中：v 为平均流速，m/s；l 为特征长度，m;υ为运动粘度 m2/s。该流动属于高雷诺数的湍流。

3.4 湍流模型
湍流数值模拟方法见图3。
流场计算的基本控制方程是Navier-Stokes 方程 而选择SST 模型对雷诺时均方程（Reynolds AverageNavier-Stokes，简称RANS 方程）进行封闭。

首先，SST 模型是基于Wilcoκ-ω 模型。因为Wilcox κ-ω 模型对来流过于敏感， 入口处ω 的
设定对于结果的影响非常大。为了解决这个问题，对κ-ω 模型进行了变形。

BDLκ-ω 模型不能准确预测流体从平滑表面分离的开始点和量，还有涡粘性。SST 模型考虑湍流剪切应力的传递，在逆压梯度下准确预测流体从平滑表面分离的开始点和量，能够更好地得到涡粘性传递情况。

图3 三维湍流模型数值模拟方法

4 岸桥风洞的数值模拟结果及分析
本文模拟计算都在CPU 为Intel(R)CPU E5-2670v2@2.5 GHz 2.5 GHz(6 处理器)，安装内存为100 GB的平台上运行，Ansys Fluent 运算迭代2 000 步， 约300 步结果收敛，总共花费12 h。
数值模拟步骤如下：
1) 将ICEM-CFD 生成的网格文件， 导入AnsysFluent；

2) 设置单位，与建模单位一致；

3) 参考文献[11]，选择基于压力的求解器（分离式求解器），时间为稳态模型。压力速度耦合方式选择Simple 压力修正算法[6]，各个相关方程的离散格式都采用2 阶迎风格式。

4) 湍流模型中选择SST 高雷诺数模型；

5) 边界层条件设置。

岸桥正前方的端面为入口边界Velocity inlet，给定风速为20 m/s，可以根据文献[7] 求得，湍流比例5% 和湍流耗散度1.5；岸桥正后方的断面为压力出口边界pressure_outlet；地面、两侧壁面、顶面以及岸桥表面为壁面wall。

Ansys Fluent 输出风压分布结果( 见图4)，岸桥气动阻力值为13.48 N（见图5），也就是1.376 kg。由于是1:100 建模，换算成1:1 比例，风载荷阻力值为13 760 kg，与按照F.E.M静态法得到的风载荷相差无几。并且经过多次、多个项目的实践，得到同样的结论。由此证明，本文的岸桥风洞的数值模拟可以为岸桥设计提供指导。

图4 岸桥风压分布

图5 岸桥气动阻力

5 结论
本文提供了从岸桥建模、网格划分、岸桥风洞数值模拟的方法、流程，比较了岸桥风洞数值模拟结论中岸桥气动阻力值与FEM 静态法得到的风载荷，证明了岸桥风洞的数值模拟的可行性与准确性。未来的研究，还有很多可以展开的工作：1）通过Ansys Fluent 后处理分析气流迹线图[8]，针对造型存在的气动特性问题，对原模型进行了局部改进，真正为岸桥细节设计提供指导；2）对于风洞流场域设计做更深入研究，满足角度风的研究；3）更深入研究来流设计，满足梯度风的研究。

参考文献
[1] 贾志浩 付卫东. 湍流模型在汽车流场仿真中的应用[J]. 中国科技信息，2012(22):49 50.
[2] 吴军，钟志华，谷正气. 汽车外流畅数值仿真的进一步研究[J]. 机械工程学报，2003，39（9）：110-113.
[3] 玄兆燕 张泰宁. 小型垂直轴风力机翼型气动性能的数值模拟[J] 流体机械201，45(3):47-51.
[4] 纪兵兵 陈金瓶.ANSYSICEM CFD 网格划分技术实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社 2012(1).
[5] F.E.M 标准 欧洲起重机机械设计规范[S].
[6] 张海峰. 基于Fluent 的电动汽车车身气动造型优化设计研究[D]. 扬州：扬州大学，2012.
[7] 何文凯. 高层双塔复杂体型建筑环境特性数值模拟研究[D].杭州: 浙江工业大学，2015.
[8] 唐家鹏.Fluent 16.0 超级学习手册[M]. 北京: 人民邮电出版社，2016.