围油栏布放舵栅板结构及外流场数值模拟

许少新，李珍珍，徐 烺，杨军社，张 强，张 扬，张 璇，乔彦军

（1.中国石化销售股份有限公司华南分公司，广东 广州511400；2.西安航天动力研究所，陕西 西安710100）

1 引言

围油栏布放舵属于溢油后回收系统装置上的核心元器件，广泛应用于河流、运河、浅海等流域，用于溢油后的对水面浮油的围困[1-3]，主要面向的客户群是石油溢油后抢维回收的市场[4-9]。其主要作用是能够仅利用水流动能而不需要其他动能就可以拉动围油栏进行自动布放，围困水面溢油，从而进行回收，显著减少人力物力成本，并明显提高效率。所以，对于围油栏布放舵的推进装置即栏体组件上的栅板，其设计就显得尤为主要，否则实现不了在水流下自动布放的功能。

2 围油栏布放舵结构及原理

围油栏布放舵主要由以下几个部分构成：栏体组件、连杆组件、尾翼组件、控制舵组件、回复弹簧组件、浮子组件、围挡组件以及绳索附件等，具体照片和结构如图1和图2所示。

使用布放舵时，系泊绳需用陆地锚或其他固定装置固定好，然后在水流中放置布放舵，当围油栏与布放舵连接完成后，布放舵不需要使用其他动力即可使用，利用水流力量推进布放舵迎着水流运动，并由布放舵牵引围油栏，将几十米甚至一百多米的围油栏拉展开来，最终布放舵达到预期位置，布放过程自动平衡。整个装置工作时，栏体组件是围油栏布放舵的动力组件，它能够充分利用水流的动能，就像风筝利用风能一样，达到自动布放的目的。

浮子组件和尾翼组件提供整体的浮力和平衡。控制舵用于调节装置在水中的方向，在从水中收回布放舵使用，可通过拉动控制绳使控制舵转动一定角度，从而改变水流方向，进而使控制舵整体改变方向；运行过程中，通过拉放绳索调整其运动方向，并借助弹簧实现自动复位。围油栏布放舵图如图1所示，围油栏布放舵结构如图2所示。

图1围油栏布放舵图

图2围油栏布放舵结构

3 围油栏布放舵栅板结构

围油栏布放舵的栏体组件是围油栏布放舵的关键组件，是整个装置的推进部分，材料为铝合金，并进行表面防腐处理，材质轻且具有抗腐蚀能力。其栅板结构采用13片弧状及直线段组合的截面形状的栅板，此结构是栅板结构设计的关键。栏体组件的栅板结构如图3所示。

围油栏布放舵栏体组件，包括两个底板和安装在两个底板之间的多个栅板，各栅板的横截面形状为圆弧形或部分段为圆弧形截面，且其中位于中间部位的多个栅板的横截面形状相同，其余栅板及中间部位任一栅板的横截面形状彼此不同。多个栅板的横截面均设有圆弧形截面，图3中，由右到左的方向依次为栅板1、栅板2、栅板3（一组）、栅板4，所述栅板3为多个栅板；第三组栅板中的各栅板横截面形状相同。

图3栏体组件的栅板结构图

水流以垂直于栅板缝隙的方向流过栅板时，栅板特定的形状改变了水流流向及受力，利用栅板的结构形状产生对围油栏布放舵的推力，能够使围油栏布放舵不需要其他动力，就能达到牵引围油栏自动布放的目的，从而使得布放舵以垂直于岸边的方向运动，直至达到最终各力的平衡。

4 布放舵外流场的CFD数值模拟

围油栏布放舵栅板的迎流角度和栅板之间的布置方式对围油栏的工作性能具有重要影响。栅板迎流角度和布置方式直接影响围油栏能否快速准确地到达指定位置，同时能够与系泊绳和围油栏形成的平面力系相平衡。布放舵的栅板可以看成是与飞机机翼类似的具有迎风面的翼型形状。其翼型上下两端产生的压差即是其实现无人布放的重要动力，如图4所示。在围油栏布放舵中，水流对栅板的压力差即为布放舵栅板的动力。本例是关于围油栏布放舵的流场模拟问题。

图4飞机机翼升力示意图

布放舵外流场的数值仿真的主要工作包括以下几个部分：选取研究对象，建立几何模型，根据布放舵外流场的具体流动问题选定求解区域和流动控制方程，确定相应的求解条件，然后将微分方程离散到网格上进行求解。仿真计算首先需要在求解域内构造网格，然后才能进行离散求解。

4.1 建立模型

4.1.1 通过SolidWorks对栅板结构进行三维建模

三维模型如图5所示。考虑到栅板结构的特点，可将栅板的三维模型简化为二维结构模型，即取栅板的长度方向的投影面为栅板的形状，栅板的二维模型如图6所示。在计算得到栅板在长度方向上的投影面的水流作用力后，对整个面在长度方向进行积分运算，得出整个栅板的受力大小。

图5栅板三维模型示意图

图6栅板二维模型示意图

4.1.2 确定外流场计算域

计算域的大小以布放舵周围受到可以忽略不计的扰动的区域为界限。参考船舶流速与围油栏布放舵的相近性，本文参考风洞的阻塞比为1%经验值进行布放舵流域的选取。因为只有阻塞比低于1%的试验结果，阻塞所产生的误差才能被忽略。所以，本例计算域的大小主要考虑的依据为虚拟风洞的阻塞比不大于1%，风洞阻塞比ε的计算公式为：

式（1）中：ε为阻塞比；A为布放舵的正投影面积；AN为计算域入口的面积。

最终确定的流域如图7所示。

图7流域示意图

4.2 网格划分

本文采用ANSYS ICEM CFD作为前处理软件进行网格划分，其能够很好地划分结构化网格、非结构化网格以及混合网格。本文对布放舵流域进行了分区域网格划分，在来流前段以及经过布放舵栅板后段的区域，网格划分较为稀疏，在靠近栅板附近网格划分较为密集。对栅板壁面的网格进行了加密，最终网格划分为总的网格数为15 372，节点数为15 773，栅板网格如图8所示。

4.3 理想流体与粘性流体的选择

流体的粘性系数较小，相应的流动流体的剪切应力也会特别小，则与流动流体的其他力相比就可以忽略不计，称之为理想流体或者无粘流体，通常定义粘性系数为0；否则，称之为粘性流体或真实流体。在本例中，流动的介质为水，如果忽略了剪切应力，则在布放舵的表面，由于其加工粗糙度引起的粘性阻力就会消失。显然，粘性阻力如果消失，就会使得计算结果与实际相差太大，因此，本文选择的流体为粘性流体。

图8网格划分

4.4 层流和湍流的选择

流体的流动分为层流和湍流。本例中雷诺数大小约为106，远超过2 320，因此，在本例中流体定义为湍流流动。

4.5 边界条件设定

考虑到本例中的水流条件，可以认为水介质为不可压缩流动，可以采用velocity-inlet为入口边界条件。在此需要对入口速度大小和方向给出定义。这个边界条件用于定义在流动入口处的流动速度以及其他相关流动变量。该边界条件适合不可压缩流动。

出口则采用完全发展出流（out-flow）边界条件。Out-flow适用于出口边界的速度和压力都未知，同时出口处流动为完全发展的情况。完全发展指的是出流部分的情况是由内部区域流动外推得到的，并对前端的流动没有影响。

4.6 计算结果

入口速度设置为5 m/s，且其速度为恒定，本例仅针对其在稳态时的情况讨论。

栅板附近三维流线图如图9所示、栅板附二维近流线图如图10所示，水流经过栅板时的路径为沿着栅板壁面流动，水流速度方向由原来的垂直于进口壁面方向改变为沿着栅板出口处的切线方向，进而水流冲击围挡，会给布放舵整体一个推力，即布放舵的动力来源。

图9栅板附近三维流线图

图10栅板附二维近流线图

栅板壁面（凹面）压力图如图11所示、栅板附近水流压力图如图12所示，流体流经栅板时，在每一块栅板的上下壁面会出现压力差。在图示的最右侧压差最大，依次向左逐渐递减，直至最左侧压差减为最小。本质上是水流压力差提供了布放舵的动力。

图11栅板壁面（凹面）压力图

图12栅板附近水流压力图

栅板附近水流速度如图13所示，紧邻栅板壁面的水流速度很小，甚至基本为0；连杆端一侧的水流速度较小，而远离连杆一侧的水流逐渐增大，在末端基本达到峰值，能够达到5 m/s的水流速度；在经过栅板的下游水流，远离连杆端，有一扇形区域为基本静止水流。

图13栅板附近水流速度图

依据之前的假设，栅板放置在具有恒定流速的水流中。在后处理中可以得出在不同流速时布放舵栅板上水流作用力的大小。此处选取三组工况进行说明，水流速度分别为0.3 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s。其余环境参数均认为一致且不随时间发生变化，故而此处只有水流速度一个变量。

表1不同水流速度下栅板所受作用力的大小

5 结论

由以上结果可知，提供围油栏布放舵的动力的栅板结构十分重要，布放舵栅板的结构形式可以在栅板的上下壁面之间产生压差，进而作为布放舵的动力使其在布放初始阶段沿着与水流基本垂直的方向运动。因此，采用特定尺寸的弧状栅板结构的围油栏布放舵能够较好地实现布放的功能。