蘇文獻， 金玉龍， 韓 超

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.中國寰球工程公司設備室，北京 100028）

單塔風誘導振動破壞分析

蘇文獻1， 金玉龍1， 韓 超2

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.中國寰球工程公司設備室，北京 100028）

采用基于流體仿真軟件Fluent及有限元分析軟件Ansys的數(shù)值模擬方法，對某獨立的130 m高的塔進行風振分析，并針對該應力條件，參照JB4732進行了疲勞分析.結(jié)果表明：對于細長結(jié)構(gòu)，橫向風力的作用大于順風向的作用；空塔在臨界風速下發(fā)生一階共振時，應力水平最苛刻的位置在塔體下封頭與裙座連接處.

塔；風振分析；數(shù)值模擬

塔設備在化工、石油化工、煉油等產(chǎn)業(yè)中都具有重要地位，常見的單元操作如精餾、吸收、解吸和萃取等都離不開塔設備.塔設備的投資巨大，約占化工、石化項目總投資的30%～40%，其性能直接關(guān)系到生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能、質(zhì)量、能耗及成本.塔設備作為一種大型露天放置的直立設備，對風載荷較為敏感.現(xiàn)有文獻表明［1-4］，近幾十年由風載荷引起的塔振動事故頻發(fā)，引起了人們對這一問題的關(guān)注.對塔設備而言，由風載荷引起的結(jié)構(gòu)應力占總的結(jié)構(gòu)應力的80%～90%［5］.在結(jié)構(gòu)風工程領(lǐng)域，通常將高層結(jié)構(gòu)風效應分為順風向、橫風向和扭轉(zhuǎn)向來研究.在順風向承受風力作用時產(chǎn)生與風向相同的振動，在橫風向承受風力作用時產(chǎn)生橫向振動.由于風扭矩影響較小，一般不考慮扭轉(zhuǎn)向的作用.隨著大型化工企業(yè)的興起與發(fā)展，高度與直徑比較大的塔器數(shù)量逐漸增多，這增加了塔結(jié)構(gòu)的風壓負擔，提高了潛在的危險性.風災一旦發(fā)生，后果將不堪設想.目前，中國GB 150—1998《鋼制壓力容器》［6］、美國《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》［7］、歐盟《歐盟承壓設備實用指南》［8］及其他國際壓力容器標準中都沒有明確給出風誘導振動分析設計方法.JB／T 4710—2005《鋼制塔式容器》［9］規(guī)定，當H／D＞15且H＞30 m時應按附錄AC（規(guī)范性附錄）計算橫風向風振.H為高度，D為平均直徑.本文以鎖定振動為對象，即將渦街振動的頻率鎖定在塔的固有頻率上.對于橫風向風振分析的方法為運用Ansys模態(tài)計算塔的固有頻率，得出流場分析所需的風速；通過CFD得到平均風力，計算作用于塔設備的水平風載荷；將載荷施加到Ansys中進行塔設備的動力響應分析；根據(jù)JB 4732［10］相關(guān)規(guī)定對塔進行疲勞分析.并從塔設備風致誘導振動的機理出發(fā)，總結(jié)已有的研究方法及成果［11-15］，探究基于大型有限元分析軟件Ansys及專業(yè)CFD軟件平臺Fluent 6的動力響應分析，旨在給出可供工程參考的塔設備風誘導振動的數(shù)值分析方法.

1 塔器參數(shù)

以某石化項目中的某塔作為分析對象，基本設計參數(shù)見表1.該塔高度H＞30 m且與塔徑比大于15，需對橫風向的風振響應進行分析.

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters

2 模態(tài)分析

運用Ansys分析出塔的固有頻率.模型選用更為危險的空塔模型，忽略接管，采用Shell63單元，前兩階的分析結(jié)果及運用式為

式中，vj為臨界風速；fj為固有頻率；St為斯托哈爾數(shù)，計算出的臨界風速見表2.

表2 模態(tài)分析結(jié)果Tab.2 Results of modal analysis

3 脈動風力的流場分析

3.1 流場設置

3.1.1 流場模型

為減少計算量要盡可能減少網(wǎng)格數(shù)目，流場計算區(qū)域應在對計算結(jié)果沒有影響的前提下盡可能小.但必須確保其與實際情況相似，且不受堵塞效果的影響.塔結(jié)構(gòu)的大小占計算區(qū)域的斷面比例大時，風路變窄會產(chǎn)生比實際情況更大的風速，為防止這種現(xiàn)象，塔結(jié)構(gòu)投影面積與計算區(qū)域面積的比例應控制在5%以下.

計算對象塔至入流邊界的距離至少大于5D，以防止迎流面停止點的高壓與入流邊界重合，對壓力分布造成不良影響；至下游出流邊界的距離至少大于10D，特別是對于高大且細長的結(jié)構(gòu)，更要確保有足夠的長度；兩側(cè)至少6.5D.流場模型的選取見圖1.

3.1.2 網(wǎng)格劃分

流場變化較小的區(qū)域，應減少網(wǎng)格以提高計算效率；變化較大的區(qū)域，需配置大量的網(wǎng)格節(jié)點以提高分辨率.雖然RANS采用比LES精度低的網(wǎng)格，但結(jié)構(gòu)附近的計算結(jié)果也會隨著網(wǎng)格分辨率的變化而變化.為避免產(chǎn)生對網(wǎng)格的依賴性，事先必須對幾種不同分辨率的網(wǎng)格進行計算，進而采用計算結(jié)果不依賴網(wǎng)格分辨率的足夠小的網(wǎng)格.

圖1 流場模型Fig.1 Flow field model

選用的3種網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分別為118×104，148×104和222×104.這3種網(wǎng)格的低階統(tǒng)計計算結(jié)果幾乎一樣，高階統(tǒng)計量略有不同，說明中等密度網(wǎng)格的結(jié)果可以采用.網(wǎng)格的配置結(jié)果見圖2.

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

3.1.3 流體物性影響

實際氣體都是可壓縮流體，但是當流速比較低、一般馬赫數(shù)小于0.3時，可將其視為不可壓縮流體的流動，且誤差很?。?6］.流體的黏性對流動影響很大，不能忽視.

3.1.4 流場參數(shù)選擇

使用改進的RNGκ-ε模型，具體設置見表3.

表3 計算模型設置Tab.3 Calculation model

3.2 脈動風力的特性計算

3.2.1 風力特性計算結(jié)果

圖3～5（見下頁）為計算得到的壓力分布結(jié)果，Z為高度，θ為圓周角，K為風壓系數(shù).其中，風壓系數(shù)定義為

式中，p1為監(jiān)測點處的平均風壓值；p0為無窮遠處來流的靜壓力.

圖3 表面風壓分布Fig.3 Surface wind pressure distributions

從圖中可知壓力分布的特點：每層最大風壓系數(shù)均出現(xiàn)在圓周角為0°處，即迎風點，其值約等于1，最小風壓系數(shù)在±90°附近，即塔體側(cè)面，在塔頂封頭和底座處絕對值小于中間圓柱部分；在背風側(cè)180°周圍系數(shù)向上突出，表明存在明顯的邊緣效應.

在30～110 m范圍內(nèi)，塔主體基本承圓柱結(jié)構(gòu)，工程中常取Z／H=0.4～0.8高度之間的壓力系數(shù)來研究，因此采用100 m高截面代表此范圍的特征.圖6（見下頁）顯示10，100，125 m高度處風速場，風速在背風區(qū)域存在大型湍流，風速分布紊亂且成回路，尤其塔頂和塔底分離點在更小的圓周角上出現(xiàn)，不如迎風面的分布光滑一致.這就說明了壓力分布

圖4 風壓系數(shù)分布Fig.4 Wind pressure coefficient distribution

圖5 100 m高度處風壓系數(shù)沿圓周的分布Fig.5 Wind pressure coefficient along the circumference of 100 m

圖上背風面風力系數(shù)有較大范圍的穩(wěn)定區(qū)域，且頂部和底部的側(cè)后方壓力分布承三角形，壓力較小.

3.2.2 計算結(jié)果分析

JB／T 4710—2005《鋼制塔式容器》規(guī)定，將塔沿高度方向分成若干段，第i段順風向水平風力計算式為

式中，K1為體型系數(shù)，在標準中為0.7，其概念與本

圖6 不同高度截面風速流線圖Fig.6 Velocity streamlines of Section height

文的風壓系數(shù)是一致的，在GB50009《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中給出了體型系數(shù)更為具體的值，對于石油化工塔設備，不同圓周角的體型系數(shù)按表4選?。籏2i為風振系數(shù)，考慮來流風中湍流的影響，本文選擇均勻來流風，沒有考慮湍流作用，因此可以在后續(xù)計算設計風載荷時，用Fluent計算得到的平均風力乘以這個系數(shù)，以考慮湍流作用；q0為基本風壓值；fi為風壓高度變化系數(shù)，是考慮地面粗糙度對大氣邊界層風特性的影響，本文的處理方式是在地表使用壁面函數(shù)；li為第i計算段長度；De為塔式容器各計算段的有效直徑.

表4 體型系數(shù)值Tab.4 Shape coefficient

將塔表面10～120 m間每隔10 m處檢測點的風壓系數(shù)值以圓周角為坐標繪制成曲線，并與上述規(guī)定值進行比較，結(jié)果見圖7.

圖7 風壓系數(shù)Fig.7 Wind pressure coefficient

規(guī)范中認為體型系數(shù)分布沿高度不變，即沿軸向完全相關(guān)，表現(xiàn)為二維特性.從圖7中風壓系數(shù)沿高度的變化情況可知，在迎風點左右45°范圍內(nèi)，計算值與標準值吻合較好；側(cè)面90°附近差別較大，塔頂封頭的邊界層分離是造成120 m高的曲線與其它3條曲線最大差別的主要原因，主體30～100 m的各曲線有較高的重合度.

規(guī)范中的體型系數(shù)僅考慮順風向的風力作用，對于橫向風振力單獨驗算，根據(jù)圖3的動壓力分布，兩側(cè)的脈動壓力最大，是造成橫向風振的主要因素.根據(jù)計算結(jié)果，最大脈動壓力234.448 MPa，遠大于迎風點處的最大靜壓力85.378 5 MPa，說明對這種細長結(jié)構(gòu)，橫向風力的作用大于順風向的作用.

3.3 脈動風力的輸出

流體計算是求得塔設備表面網(wǎng)格點上的壓力，因此由網(wǎng)格精度對應空間精度，得到風壓的分布.計算塔設備風振響應時，振動中一階模態(tài)所占比例大，再加上多數(shù)情況下振動模態(tài)可以近似為直線模態(tài)，因此可得到結(jié)構(gòu)對于指定中心位置作用的傾覆力矩系數(shù).在本文的方案中，僅輸出順風向及橫風向上的傾覆力矩結(jié)果.

4 風載荷動力響應分析

運用Ansys軟件進行風載荷動力響應分析，假定順風向彎矩為恒定值，橫風向彎矩呈正弦規(guī)律變化，采用模型為

式中，ω為激勵角速度；t為時間.施加位移及載荷條件的模型如圖8所示，計算結(jié)果見圖9.

圖8 載荷邊界條件Fig.8 Load boundary conditions

根據(jù)計算結(jié)果，最大應力出現(xiàn)在下封頭與群座的連接處，對這個部位按文獻［10］的應力強度評定準則進行應力強度評定，評定結(jié)果見下頁表5，表中SⅡ為一次局部薄膜應力強度，SⅣ為一次加二次應力強度，Sm為許用應力.

圖9 應力強度分布Fig.9 Distribution of stress intensity

表5 應力評定結(jié)果Tab.5 Assessment of stress intensity

5 疲勞分析

對下封頭與群座連接處的截面進行疲勞分析：截面最大拉應力σ0-01=9.2 MPa

截面最大壓應力σ0-02=-23.8 MPa

應力組合

其中，σ1為由壓力引起的軸向應力，由于是空塔狀態(tài)，σ1=0；σ2為由重力引起的軸向應力；σ3為橫向彎矩引起的應力；交變應力幅

根據(jù)JB 4732的C-1疲勞曲線，許用循環(huán)次數(shù)N＞106.

對于細長結(jié)構(gòu)，橫向風力的作用大于順風向的作用；空塔在臨界風速下發(fā)生一階共振時，應力水平最苛刻的位置在塔體下封頭與裙座連接處.本文提供了一種分析風誘導振動的數(shù)值方法，對于該算例中的塔而言，不會在橫向風振時發(fā)生疲勞破壞.

6 結(jié) 論

以單塔為研究對象，對其進行了完整的風振分析.得出以下一些結(jié)論：

a.使用定常的RNG模型計算塔設備的風載荷是可行的，本文采用RNG k-ε湍流模型結(jié)合非平衡的壁面函數(shù)，SIMPLEC離散格式對設備承受的風載荷進行了模擬.

b.在Fluent計算結(jié)果中提取順風向、橫風向彎矩，作為ANSYS結(jié)構(gòu)分析的輸入載荷進行動力響應分析，提供了一種新的、可行的風載荷輸入方法.

c.對于文中的塔而言，一階頻率下的振動可以通過疲勞強度分析.

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（編輯：金 虹）

Failure Analysis on Wind-induced Vibration of the Single Column

SUWen-xian1， JIN Yu-long1， HANChao2
（1.College of Power Engineering，University of Shanghai for Scienace and Technology，Shanghai 200093，China；2.Equipment Department，China HuanQiu Contracting and Engineering Corp，Beijing 100028，China）

By numerical simulation based on the fluid field analysis software Fluent and the structure analysis software ANSYS，the wind induced vibration of a 130-meter high column was analysed and the fatigue endurance was calculated according to the code of JB4732 with the obtained stress distribution.The results show that the effect of cross-wind is greater than that of along-wind for slender structure，and when first-order resonance occurs on an empty tower under critical wind speed，the worst dangerous region of stress is in the joint of the lower header and the skirt.A feasible schedule of numerical simulation was offered，which is of practical Calue for academic study and engineering application.

column；wind-induced vibration；numerical simulation

TQ 053.5

A

1007-6735（2013）04-0391-06

2012-10-24

蘇文獻（1967-），男，副教授.研究方向：過程設備設計與有限元分析.E-mail：digestsu＠163com