圍油欄布放舵柵板結構及外流場數值模擬

許少新，李珍珍，徐 烺，楊軍社，張 強，張 揚，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，廣泛應用于河流、運河、淺海等流域，用于溢油后的對水面浮油的圍困[1-3]，主要面向的客戶群是石油溢油后搶維回收的市場[4-9]。其主要作用是能夠僅利用水流動能而不需要其他動能就可以拉動圍油欄進行自動布放，圍困水面溢油，從而進行回收，顯著減少人力物力成本，并明顯提高效率。所以，對于圍油欄布放舵的推進裝置即欄體組件上的柵板，其設計就顯得尤為主要，否則實現不了在水流下自動布放的功能。

2 圍油欄布放舵結構及原理

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

使用布放舵時，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，當圍油欄與布放舵連接完成后，布放舵不需要使用其他動力即可使用，利用水流力量推進布放舵迎著水流運動，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，最終布放舵達到預期位置，布放過程自動平衡。整個裝置工作時，欄體組件是圍油欄布放舵的動力組件，它能夠充分利用水流的動能，就像風箏利用風能一樣，達到自動布放的目的。

浮子組件和尾翼組件提供整體的浮力和平衡。控制舵用于調節(jié)裝置在水中的方向，在從水中收回布放舵使用，可通過拉動控制繩使控制舵轉動一定角度，從而改變水流方向，進而使控制舵整體改變方向；運行過程中，通過拉放繩索調整其運動方向，并借助彈簧實現自動復位。圍油欄布放舵圖如圖1所示，圍油欄布放舵結構如圖2所示。

圖1圍油欄布放舵圖

圖2圍油欄布放舵結構

3 圍油欄布放舵柵板結構

圍油欄布放舵的欄體組件是圍油欄布放舵的關鍵組件，是整個裝置的推進部分，材料為鋁合金，并進行表面防腐處理，材質輕且具有抗腐蝕能力。其柵板結構采用13片弧狀及直線段組合的截面形狀的柵板，此結構是柵板結構設計的關鍵。欄體組件的柵板結構如圖3所示。

圍油欄布放舵欄體組件，包括兩個底板和安裝在兩個底板之間的多個柵板，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。多個柵板的橫截面均設有圓弧形截面，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欄體組件的柵板結構圖

水流以垂直于柵板縫隙的方向流過柵板時，柵板特定的形狀改變了水流流向及受力，利用柵板的結構形狀產生對圍油欄布放舵的推力，能夠使圍油欄布放舵不需要其他動力，就能達到牽引圍油欄自動布放的目的，從而使得布放舵以垂直于岸邊的方向運動，直至達到最終各力的平衡。

4 布放舵外流場的CFD數值模擬

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確地到達指定位置，同時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機翼類似的具有迎風面的翼型形狀。其翼型上下兩端產生的壓差即是其實現無人布放的重要動力，如圖4所示。在圍油欄布放舵中，水流對柵板的壓力差即為布放舵柵板的動力。本例是關于圍油欄布放舵的流場模擬問題。

圖4飛機機翼升力示意圖

布放舵外流場的數值仿真的主要工作包括以下幾個部分：選取研究對象，建立幾何模型，根據布放舵外流場的具體流動問題選定求解區(qū)域和流動控制方程，確定相應的求解條件，然后將微分方程離散到網格上進行求解。仿真計算首先需要在求解域內構造網格，然后才能進行離散求解。

4.1 建立模型

4.1.1 通過SolidWorks對柵板結構進行三維建模

三維模型如圖5所示。考慮到柵板結構的特點，可將柵板的三維模型簡化為二維結構模型，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。在計算得到柵板在長度方向上的投影面的水流作用力后，對整個面在長度方向進行積分運算，得出整個柵板的受力大小。

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 確定外流場計算域

計算域的大小以布放舵周圍受到可以忽略不計的擾動的區(qū)域為界限。參考船舶流速與圍油欄布放舵的相近性，本文參考風洞的阻塞比為1%經驗值進行布放舵流域的選取。因為只有阻塞比低于1%的試驗結果，阻塞所產生的誤差才能被忽略。所以，本例計算域的大小主要考慮的依據為虛擬風洞的阻塞比不大于1%，風洞阻塞比ε的計算公式為：

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 網格劃分

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

4.3 理想流體與粘性流體的選擇

流體的粘性系數較小，相應的流動流體的剪切應力也會特別小，則與流動流體的其他力相比就可以忽略不計，稱之為理想流體或者無粘流體，通常定義粘性系數為0；否則，稱之為粘性流體或真實流體。在本例中，流動的介質為水，如果忽略了剪切應力，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消失。顯然，粘性阻力如果消失，就會使得計算結果與實際相差太大，因此，本文選擇的流體為粘性流體。

圖8網格劃分

4.4 層流和湍流的選擇

流體的流動分為層流和湍流。本例中雷諾數大小約為106，遠超過2 320，因此，在本例中流體定義為湍流流動。

4.5 邊界條件設定

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

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，同時出口處流動為完全發(fā)展的情況。完全發(fā)展指的是出流部分的情況是由內部區(qū)域流動外推得到的，并對前端的流動沒有影響。

4.6 計算結果

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

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，水流經過柵板時的路徑為沿著柵板壁面流動，水流速度方向由原來的垂直于進口壁面方向改變?yōu)檠刂鴸虐宄隹谔幍那芯€方向，進而水流沖擊圍擋，會給布放舵整體一個推力，即布放舵的動力來源。

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，流體流經柵板時，在每一塊柵板的上下壁面會出現壓力差。在圖示的最右側壓差最大，依次向左逐漸遞減，直至最左側壓差減為最小。本質上是水流壓力差提供了布放舵的動力。

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；連桿端一側的水流速度較小，而遠離連桿一側的水流逐漸增大，在末端基本達到峰值，能夠達到5 m/s的水流速度；在經過柵板的下游水流，遠離連桿端，有一扇形區(qū)域為基本靜止水流。

圖13柵板附近水流速度圖

依據之前的假設，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布放舵柵板上水流作用力的大小。此處選取三組工況進行說明，水流速度分別為0.3 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s。其余環(huán)境參數均認為一致且不隨時間發(fā)生變化，故而此處只有水流速度一個變量。

表1不同水流速度下柵板所受作用力的大小

5 結論

由以上結果可知，提供圍油欄布放舵的動力的柵板結構十分重要，布放舵柵板的結構形式可以在柵板的上下壁面之間產生壓差，進而作為布放舵的動力使其在布放初始階段沿著與水流基本垂直的方向運動。因此，采用特定尺寸的弧狀柵板結構的圍油欄布放舵能夠較好地實現布放的功能。