耙吸船消能箱對裝艙影響的數(shù)值計算

朱東江，徐立群，倪福生

（1．河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213022；2．河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州213022）

0 引言

疏浚業(yè)在港口、航道疏浚及治理、江河湖庫治理、水利設(shè)施、國防工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)疏浚和吹填造地等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在大規(guī)模陸域形成工程及臨海工業(yè)園區(qū)的建設(shè)中，為避免挖泥船的施工，影響了其他船舶的正常通航，耙吸挖泥船被廣泛采用。目前，耙吸挖泥船的研究取得巨大進(jìn)展，但是在疏浚高效化方面至今還缺少大量研究。隨著各工程規(guī)模的擴(kuò)大，疏浚船舶日趨大型化，單船產(chǎn)量是目前疏浚市場的競爭優(yōu)勢之一。其中，耙吸挖泥船的裝艙效率是最受重視的指標(biāo)，而裝艙效率有許多不確定的因素，通過實驗研究仍有一定困難，而隨著計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬手段逐漸成熟［1-2］。數(shù)值模型可以模擬水流在泥艙內(nèi)具體的流動情況，從而對裝艙效果進(jìn)行分析。

耙吸挖泥船的臥式消能箱得到普遍使用，此形式結(jié)構(gòu)為管狀或矩形截面，可以有效分流又能均衡裝艙，是一種理想的消能方式［3］。系統(tǒng)主要采用Fluent軟件研究消能箱在不同位置工作時，對于溢流過程的影響，為日后設(shè)計和建造耙吸挖泥船裝艙消能系統(tǒng)提供必要的參考和理論依據(jù)。

1 溢流損失與裝艙過程

耙吸船在挖泥裝艙過程中的溢流階段，由于耙頭吸入的泥沙不能在泥艙內(nèi)完全沉淀，有一部分會隨溢流水排至舷外，稱為溢流損失［4］。裝艙過程分為3個階段：

a．第1階段為耙吸船開始挖泥裝艙，一直到溢流口位置。此時無溢流發(fā)生，可以認(rèn)為裝入泥艙內(nèi)的泥沙全部沉積。

b．第2階段為恒體積裝艙，裝艙到溢流口后就以最大艙容裝艙，即讓溢流口在最高位置不變，裝至船舶的最大吃水。在此階段開始出現(xiàn)溢流損失，其程度隨挖掘土質(zhì)不同而不同；但隨著艙底泥沙沉積層高度增加，泥漿水平流速有所增加，導(dǎo)致溢流損失有增加的趨勢。

c．第3階段為恒排水量裝艙，船舶裝至最大吃水后為提高泥沙的裝載率，需不斷降低溢流口進(jìn)行裝艙。在此階段因泥艙內(nèi)濃度和流量趨于平穩(wěn)，所以溢流損失增加幅度不大。

2 裝艙仿真模擬

2．1 模型建立與網(wǎng)格化分

泥艙模型長為77 m，寬為22 m，消能箱中心高度為10．2 m，消能箱出口高度為1 m，溢流桶高為11 m，溢流高度為11．5 m。如圖1所示。其中，截面B為泥艙的對稱面，截面A為過溢流桶軸線且平行與截面B的截面。截面C為Z坐標(biāo)11 m的橫截面，截面D為Z坐標(biāo)為8 m的橫截面。

利用Gambit對計算區(qū)域非結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，計算區(qū)域有570 702個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格。

圖1 泥艙模型

2．2 控制方程

系統(tǒng)所研究多相流中的沙子體積分?jǐn)?shù)超出10%，故數(shù)值模擬采用歐拉模型［5］。模型滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律，其控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程。建立了三維、非穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流體的兩相流模型，不考慮溫度的變化，采用連續(xù)介質(zhì)模型。把顆粒作為擬流體，認(rèn)為顆粒與流體是共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，兩相均采用在Euler坐標(biāo)系中宏觀連續(xù)介質(zhì)原理中的質(zhì)量和動量守恒方程進(jìn)行描述，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。其中，湍動能k方程和耗散率ε方程為［6］：

Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb為用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。模型常數(shù)C1ε，C2ε，Cμ，σk，σz的取值分別為：C1ε＝1．44，C2ε＝1．92，Cμ＝0．09，σk＝1．0，σz＝1．3。2．3 邊界條件的確定

a．入口邊界。消能箱入口選擇速度入口，假定流速均勻分布。進(jìn)艙沙水混合物比例一定，單個入口速度為2 m／s，其中細(xì)沙的體積分?jǐn)?shù)為0．25。

b．出口邊界。溢流桶出口采用壓力出口。

c．固體壁面邊界條件。泥艙邊壁、底部，溢流筒表面均為無滑移固壁條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

d．自由面邊界。泥艙上表面為自由水面，自由水面采用剛蓋假定和無剪切力假定。

2．4 求解器的設(shè)置

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合，采用非穩(wěn)態(tài)計算。

3 計算結(jié)果與分析

分別計算消能箱1與消能箱2單獨工作時，裝艙的情況。在初始時刻，假定泥艙內(nèi)水位為11．5 m，此時艙內(nèi)裝滿水，預(yù)裝2．5 m高的沙床，為裝艙第1階段。這樣做既節(jié)省了自由液面的計算時間，也比假定艙內(nèi)裝滿水更接近于實際情況。當(dāng)泥沙溢流損失達(dá)到進(jìn)口泥沙的85%左右，計算結(jié)束。

由圖2可知，消能箱1工作時，溢流桶周圍的水流速度場沒有太大波動，受消能箱影響較小，在消能箱進(jìn)口周圍流速為0．5 m／s左右。如圖3所示，溢流桶周圍受到消能箱水流影響，水流速度相比圖2有明顯上升，消能箱附近水速在0．5 m／s左右?？梢钥闯觯芟溥M(jìn)料入口在溢流筒附近時，對溢流筒附近水流速度產(chǎn)生較大的影響。

圖2 消能箱1工作，截面A，B水的速度

圖3 消能箱2工作，截面A，B水的速度

從圖4，圖5可知，橫截面C與橫截面D的矢量圖對比，可知處于泥艙溢流筒上側(cè)（橫截面C）的水流速度要高于下方（橫截面D）的水流速度。在泥艙溢流筒上方時，溢流筒周圍的流速要高于下方。在圖4中，在消能箱入口附近水流對溢流筒周圍流場沒有太大影響，由圖5可知，在消能箱附近與溢流筒間形成漩渦，入口水流直接影響溢流筒周圍流場。

圖4 消能箱1工作，截面C，D水的速度矢量

圖5 消能箱2工作，截面C，D水的速度矢量

從圖6可知，溢流損失的質(zhì)量流量隨時間不斷增加。在前期，流量相差不大，到后期，消能箱2單獨工作時的溢流流量損失要明顯高于消能箱1工作時的情況。結(jié)合圖4，圖5的速度矢量圖對比，在裝艙后期，沙面的不斷升高，在溢流筒周圍的漩渦會影響沙子的沉淀效果，使溢流出的沙子比例有所上升。當(dāng)靠近溢流筒周圍的水的流速偏低時，有利于沙的沉積。如果溢流筒周圍的水流速度高，水流的運動直接影響懸浮的沙，以及沉淀沙的懸浮，在溢流過程中，對沙子的沉淀影響大。

圖6 溢流損失流量

4 結(jié)束語

利用Fluent流體力學(xué)軟件對耙吸挖泥船裝艙過程進(jìn)行了仿真，對消能箱不同位置時的溢流損失與流場進(jìn)行模擬分析。由模型計算結(jié)果可知：

a．溢流損失會隨沉積面的上升而逐漸增大。

b．在溢流后期，由于沙面上升，靠近溢流桶周圍的水流速度變大，直接影響沙子沉淀，而更容易被水流沖刷，再次懸浮起來。

c．在實際工作時，由于在裝艙前期沒有太多差別，可以將消能箱1與消能箱2同時啟動工作，在裝艙后期，只開消能箱1工作。這不僅可提高裝艙速度，又可減少溢流損失，從而提高工作效率。

［1］ 王培勝，俞孟蕻，蘇 貞．耙吸挖泥船溢流損失估算的一種方法［J］．中國港灣建設(shè)，2012，（3）：34-37．

［2］ 高 偉．國內(nèi)外疏浚挖泥沒備的對比與分析［J］．中國港灣建設(shè)，2009，（2）：63-67．

［3］ 王振瑯，曾 湛．大型耙吸挖泥船裝艙系統(tǒng)設(shè)計研究［J］．船舶與海洋工程，2012，（1）：38-45．

［4］ 李云旺，王玉銘．耙吸挖泥船溢流損失的分析［J］．船舶，2005，（6）：17-21．

［5］ 于 勇．Fluent入門與進(jìn)階教程［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2008．

［6］ 王福軍．計算流體動力學(xué)分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．