基于ANSYS的充气滑梯外流场的数值仿真研究

周小庄，项辉宇，张 勇 ，孙 超，李婷婷

(1.北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048;2.中国特种设备检测研究院,北京 100013)

基于ANSYS的充气滑梯外流场的数值仿真研究

周小庄1，项辉宇1，张 勇2，孙 超1，李婷婷1

(1.北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048;2.中国特种设备检测研究院,北京 100013)

为研究充气滑梯风载下的受力特点，确保充气滑梯的安全运营，将SIMPLIC算法与湍流模型相结合，基于计算流体动力学对充气滑梯外流场进行了数值仿真研究。首先运用Ansys Workbench建立充气滑梯三维模型;然后采用非结构四面体网格离散求解区域，设定边界条件，着重进行了不同风向下的迎风面分析，以及不同风速下的最大风压和表面风压的分布研究;最后根据仿真结果，为充气滑梯结构及迎风设计提出了改进方案。

充气滑梯；ANSYS；计算流体动力学；风压分布；数值模拟

2014年10月5日，上海市宝地广场的大型充气滑梯被一阵狂风吹翻，致正在玩耍的13名孩童及1名工作人员受伤；2014年7月12日，青岛即墨市一充气滑梯被大风掀翻，两个孩子被压在充气城堡下，一名儿童当场死亡，另一名儿童腿部骨折；2014年5月31日，厦门明发商业广场中庭，一个小女孩从4 m多高的充气滑梯上摔下来受伤……

多起人员伤亡事故为充气滑梯行业敲响警钟。作为一种由柔性织物制作的新型娱乐设施，充气滑梯通过内外空压差保持外形，供儿童在其中弹跳、玩耍[1-2]。由于充气滑梯属于柔性结构，对风荷载十分敏感，其结构在风荷载下的受力特性及流场情况也深受行业关注，因此对充气滑梯风载下的安全稳定性进行空气动力学研究具有十分重要的现实意义。

随着计算机技术和湍流理论的高速发展，计算流体力学(Calculation Fluid Dynamics，CFD)方法被广泛运用于各类空气动力学研究中，如南京航空航天大学的高速轿车车身前部外流场数值模拟[3]；中国矿业大学基于Fluent模拟的选煤厂煤仓瓦斯超限治理研究[4]；中国电力科学研究院的典型覆冰导线空气动力学特性数值和试验模拟[5]；华东理工大学的基于Fluent的搅拌反应罐流场的优化研究[6]；等等。通过各领域的计算流体学研究发现，运用数值模拟的方法模拟设施表面风场并求解表面风压，相比于风洞试验，可以更有效地研究不同因素对外流场性能的影响，同时节约了资金，提高了研究效率[7-10]。但目前国内外有关充气滑梯流固耦合外流场的研究文献极少，充气滑梯在风载作用下的受力特性尚未为人所知。鉴于此，本文基于计算流体动力学对不同风况下充气滑梯的流场特性进行了稳态数值仿真研究，通过仿真结果与计算数据的横纵向对比，证明了数值模拟方法的可行性，并在此研究的基础上，为充气滑梯结构及迎风设计提出了改进建议。

1 仿真模型

本文依据郑州市卧龙游乐设备有限公司的冲浪滑梯模型，考虑到计算机硬件条件以及计算时间，结合其他常见充气滑梯，简化了浪花、玩具造型等特征，使模型具有普遍性，最终确立充气滑梯模型总长10 m、总宽6 m、总高6 m。运用Ansys Workbench建立的充气滑梯三维简化模型如图1所示，其中x、z轴方向平行于地面，y轴方向垂直于地面，x轴设置为沿充气滑梯长度方向。经UG软件测量，充气滑梯三维模型的侧面、正面(非水平面)、背面的迎风面积分别为31.66 m2、36.17 m2和43.43 m2。

充气滑梯外流场空间的选取应以不出现回流效应为准[11]，故计算区域需足够大。前部取充气滑梯3倍设施长，以保证前围的气流满足气流均匀性要求；后部取充气滑梯6倍设施长，使尾流区气流流动状态得以充分显现；侧面取充气滑梯5倍设施宽，以正确反映侧围绕流的真实情况；上部取充气滑梯4倍设施高，以降低上边界气流绕流影响。以侧面迎风为例，充气滑梯的计算模型如图2所示，此时风速方向沿z轴负方向，前部取充气滑梯3倍设施长，后部取充气滑梯6倍设施长，侧面取充气滑梯5倍设施宽，上部取充气滑梯4倍设施高，则风场计算区域为x×y×z=50 m×24 m×60 m。

由于整个流体的待求解区域较大，设施表面比较复杂，为了能够同时兼顾准确性和经济性，采用非结构四面体网格离散求解区域，同时对靠近设施表面的壁面边界层网格进行加密处理，以满足充气滑梯壁面黏性边界层的需要。最终生成的网格数约15×105，充气滑梯外流场沿xy平面网格划分的剖面图如图3所示。

2 数学模型及边界条件

2.1 数学模型

作用在充气滑梯表面的流体是空气，其仿真的状况为1个标准大气压，流体密度为1.24 kg/m3，温度为24℃，运动黏度υ=1.46×10-5m2/s，湍流动力黏度μ=1.79×10-5N·s/m2。由于所要研究的风速远小于声速，且不考虑传热，本文把空气扰流问题作为定常、无能量交换、不可压缩的三维流场处理，采用湍流模型拟合充气滑梯外流场的湍流流动。

为使计算精度更优，对有大反压力梯度的边界层、分离、回流现象能有更好的预测结果[12]，本文采用Realizablek-ε有限差分法求解流场区域，精度选择二阶迎风格式，并采用SIMPLIC算法对求解区域的速度场和压力场进行耦合。

将Realizablek-ε模型时均化的连续方程和N-S方程写成张量形式[13-14]，其公式为

(1)

(2)

对应的湍流模型中湍动能k和湍流耗散率ε的控制方程为

(3)

(4)

本模型中常数的选取为：σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92。

2.2 边界条件

本文对仿真中的各部件名称进行详细的划分。对待求解区域，主要划分为入口边界(inlet)、出口边界(outlet)、设施壁面(wall1)、地面(ground)和壁面(wall2)五部分，如图2中标示。当求解区域对称时，取原有模型一半进行分析以简化计算，此时设置部件对称面(sym)。

为研究不同风速对充气滑梯表面受压的影响，入口边界分别选取6级风、7级风、8级风对应风速11m/s、14m/s、17m/s作为来流方向速度，出口边界设为压力出口，相对压力为0。由于常态大风下湍流强度不大，这里取实测值I=8.5%[15]。湍流尺寸L为入口段的特征长度，对于方形截面流动，特征长度即为水力直径dH，按照经验公式计算得dH=2.1m。设施壁面、地面和壁面均为无滑动墙面，对称面设置边界条件对称。

3 仿真结果及分析

3.1 迎风面分析

为研究不同风向对充气滑梯表面受压的影响，选取侧面迎风、正面迎风、背面迎风3种情况进行仿真模拟[16]，图4、图5和图6分别为在6级风(11m/s)下充气滑梯侧面、正面、背面迎风时表面风压分布图。

由图4、图5和图6可以看出：在同等风速[6级风(11m/s)]下，由于充气滑梯不同表面具有不同坡度，且同时考虑到来流的湍流特性，充气滑梯的不同迎风面上所受风压及最大风压均不同，其中侧面迎风最大风压为82.3Pa，正面迎风最大风压为56.4Pa，背面迎风最大风压为80.8Pa,可见此时充气滑梯侧面迎风所受最大风压大于正面及背面迎风情况。

本文将5级风、6级风、7级风、8级风、9级风时，充气滑梯侧面、正面、背面迎风时所受的最大风压绘制成折线图，见图7。

由图7可以看出：在模拟的所有风速情况下，充气滑梯侧面所受最大风压均大于正面及背面迎风情况。故在实际使用中，应尽量避免设施侧面迎风运营；在试验研究中，也应使用迎风面积最大的区域(如侧面迎风工况)进行风洞试验及仿真模拟。

3.2 最大风压分析

本文采取表面风压最大的侧面迎风工况为主要研究对象，将仿真所得的风压最大值与基本风压、风压标准值进行比较，其结果见表1，并将其绘制成风压折线图,见图8。

由表1和图8可见，随着风速的增加，充气滑梯设施表面所受的最大风压也随之增大。通过设施表面最大风压与国标公式计算所得基本风压和风压标准值进行比较可以发现，仿真所得最大风压大于基本风压w0，小于风压标准值wk，其值约等于风阻系数Cw取1.106时的风载值。可见，仿真所得风阻系数比较符合经验规律，但比实际风阻系数略小，这是因为充气滑梯模型是经过一定的简化处理的，没有考虑到充气浪花以及其他造型对整体风压的影响。

表1 不同风速下充气滑梯侧面风压值比较

3.3 表面风压分析

本文采取表面风压最大的侧面迎风工况为主要研究对象，其中6级风、7级风、8级风、9级风下充气滑梯侧面迎风时表面风压分布对比见图9。

由图9可以看出：侧面迎风工况下不同风速时充气滑梯表面所受的最大风压存在显著差异，其中6级风时充气滑梯表面所受的最大风压为82.3Pa，7级风时最大风压为133Pa，8级风时最大风压为197Pa，9级风时最大风压为300Pa，但表面风压分布基本一致，没有较大变化。由此得出，当风向不变时，风速的增大仅会使充气滑梯表面所受风压增大，但不会影响设施表面的压强分布。

4 结 论

本文将SIMPLIC算法与湍流模型相结合，基于计算流体动力学对充气滑梯外流场进行了数值仿真研究，得到以下结论：

(1) 充气滑梯侧面与来流方向垂直，所受风压最大。因此，在实际使用中，应尽量避免充气滑梯侧面迎风运营。

(2) 随着风速的增加，充气滑梯表面所受的最大压强也随之增大。由于经验公式考虑到各种复杂情况，仿真所得最大风压比经验公式略小一些。

(3) 当风向不变时，增大风速只会使充气滑梯设施表面风压增大，但设施表面的压强分布基本不变。对于相同风向，可使用极限风速进行仿真模拟。

[1]DINEN14960—2007 Inflatable Play Equipment-Safety Requirements and Test Methods[S].2007.

[2] 周小庄,项辉宇,张勇，等.充气式游乐设施标准比较研究[J].中特种设备安全,2014,30(10):11-14,54.

[3] 赵又群,张奇.高速轿车车身前部外流场数值模拟[J].中国机械工程,2007,18(15):1886-1889.

[4] 郭雅迪,张人伟,刘曰帅，等.基于FLUENT模拟的选煤厂煤仓瓦斯超限治理研究[J].安全与环境工程,2014，21(3):148-153.

[5] 李新民,朱宽军,刘彬.典型覆冰导线空气动力学特性数值和试验模拟[J].高电压技术,2014(2):427-433.

[6] 侯权,潘红良,冯巧波.基于Fluent的搅拌反应罐流场的优化研究[J].机械设计与研究,2005(3):78-82.

[7] 吴子牛,王兵,周睿，等.空气动力学[M].北京:清华大学出版社,2007.

[8] 高利.汽车流场数值模拟研究的发展概况及趋势[J].中国公路学报,1998,11(2):94-104.

[9] 陈家照,于文涛,廖斯宏.圆筒形受限空间偏二甲肼毒气扩散安全性分析[J].安全与环境工程,2013，20(3):130-134.

[10]曲文晶,张来斌,马庆春.液化石油气球罐泄漏扩散的数值模拟[J].安全与环境工程,2012，19(4):119-124.

[11]王瑞金,张凯,王刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[12]孙帮成,李明高,李明，等.ANSYSFLUENT14.0仿真分析与优化设计[M].北京:机械工业出版社,2014.

[13]王福军.计算流体力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004,

[14]毛鹏展,张淑佳,张韬等.RNGk-ε模型与Realizablek-ε模型在低比转速离心泵三维模拟中的比较[J].仪器仪表学报,2009,30(6):106-109.

[15]庞加斌,宋丽莉,林志兴,等.风的湍流特性两种分析方法的比较及其应用[J].同济大学学报(自然科学版),2006,34(1):27-32.

[16]SimiuE,ScanlanRH.Wind Effects on Structures:Fundamentals and Applications to Design[M].3rded.NewYork:JohnWiley&Sons,INC,1996.

Numerical Simulation of the Flow Field around Inflatable Slides Based on ANSYS

ZHOU Xiaozhuang1,XIANG Huiyu1,ZHANG Yong2,SUN Chao1,LI Tingting1

(1.CollegeofMaterialsandMechanicalEngineering，BeijingTechnologyandBusinessUniversity，Beijing100048，China;2.ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute，Beijing100013，China)

For the purpose of researching the loading characteristics of inflatable slides and ensuring the safety operation of them under wind load,this paper combines SIMPLIC algorithm and turbulence model to complete the numerical simulation analysis of the flow field around inflatable slides based on the computational fluid dynamics,and applies ANSYS Workbench to establishing a 3-dimensional model as well as dividing the solving area with unstructured tetrahedral mesh.After the set of boundary conditions,the study puts emphasis on the windward surface,the maximum wind direction and the pressure distribution of the windward surface under different wind speeds and directions.The result proposes some improved schemes of inflatable slide structure and windward design.

inflatable slide;ANSYS;computational fluid dynamics;wind pressure distribution;numerical simulation

1671-1556(2015)04-0150-05

2014-11-19

2015-01-11

质检公益性行业科研专项项目(201310239);北京工商大学研究生科研学术创新基金项目“基于流固耦合的充气滑梯风载稳定性分析”

周小庄(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为充气式游乐设施安全稳定性。E-mail：m18910231187@163.com

X928;D035.29

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.026

项辉宇(1966—)，男，博士，教授，主要从事机械CAD/CAM/CAE、模具CAE技术、游乐设施安全性等方面的研究。E-mail:xianghy@th.btbu.edu.cn