絞吸式挖泥船泥沙吸入量影響因素的數(shù)值模擬分析

劉永杰，朱漢華，吳　楹，鄭良焱

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

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絞吸式挖泥船泥沙吸入量影響因素的數(shù)值模擬分析

劉永杰，朱漢華，吳楹，鄭良焱

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對絞吸式挖泥船在工作過程中泥沙吸入量過低的問題，采用CFX軟件對絞刀流場進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，較進(jìn)口泥沙量而言，絞刀轉(zhuǎn)速對泥沙吸入量的影響更明顯，在挖泥船工作過程中，可以通過設(shè)置合適的絞刀轉(zhuǎn)速來提高泥沙的產(chǎn)量。

進(jìn)口泥沙量；絞刀轉(zhuǎn)速；泥沙吸入量；CFX；數(shù)值模擬

絞刀是絞吸式挖泥船的關(guān)鍵設(shè)備之一，其流場特性往往能決定挖泥船的工作效率。以往的相關(guān)研究主要針對絞吸式挖泥船絞刀的清水流場，分析不同參數(shù)下絞刀流場的速度和壓力分布，借此判斷絞刀的工作性能[1-3]。由于絞刀工作環(huán)境較為特殊，絞刀與周圍水、切削泥沙之間會形成復(fù)雜的流場，對復(fù)雜流場中泥沙吸入量和絞刀轉(zhuǎn)速、進(jìn)口泥沙量之間關(guān)系的研究更是缺乏。在挖泥船工作過程中，絞刀轉(zhuǎn)速過低，切削泥沙不能與水充分混合，容易造成泥沙沉降；絞刀轉(zhuǎn)速過高，切削介質(zhì)會擴(kuò)散至周圍水域，對水域造成二次污染，這些原因?qū)е履嗌澄肓恐徽冀g刀切削泥沙量的20%～30%[4-5]。絞刀在實(shí)際工作過程中，流場中的介質(zhì)不僅有水，而且還有散布于整個流場中的泥沙。泥沙吸入量作為判斷絞刀工作性能的重要指標(biāo)之一，此前對其關(guān)注程度不夠。為此，通過建立絞刀流場中水和泥沙運(yùn)動的兩相流模型，采用數(shù)值模擬的方法計算不同絞刀轉(zhuǎn)速和進(jìn)口泥沙量下的泥沙吸入量，分析泥沙吸入量偏小的原因。

1　絞刀流場分析數(shù)學(xué)模型

1.1流場分析中的控制方程

由于絞刀流場中的介質(zhì)主要是水和泥沙混合形成的泥漿，將泥漿視為不可壓縮流體，計算過程中不考慮熱交換問題，因此可忽略能量守恒定律[6-7]。

泥漿在絞刀流場中流動，必須滿足質(zhì)量守恒定律[8]，其微分方程為

μ，v，w——x、y、z向上的速度分量。

式中：fx，fy，fz——控制體在x、y、z方向上的受力；

μ——水的粘度；

p——壓強(qiáng)。

本例計算采用k-ε方程[9]。

(3)

(4)

式中：ρ——水的密度；

ui——速度矢量；

u，v，w——ui在x、y、z方向上的分量；

ut——湍流粘度；

sk=1.0；sε=1.3；C1e=1.44；C2ε=1.92；

Gk——平均速度梯度引起的湍流k的產(chǎn)生項(xiàng)，可表示為

1.2兩相流中泥沙受力模型

絞刀流場中的介質(zhì)為水和泥沙的混合物，即泥沙顆粒分布于水中形成泥漿[10]。泥沙顆粒在水中受力包括慣性力、重力、壓差力、曳力、附加質(zhì)量力、Basset力、升力、Magnus力和Saffman力等，其中慣性力、重力和壓差力與顆粒流體之間的相對運(yùn)動無關(guān)，而其他力均依賴于顆粒之間的相對運(yùn)動。因此，顆粒流體之間的主要作用力為曳力，如圖1所示。本例中采用低質(zhì)量濃度的泥漿，曳力采用Schiller-Naumann關(guān)系式：

(6)

式中：ReP——過渡區(qū)的雷諾數(shù)。

圖1　顆粒流體兩相流模型

2　數(shù)值模擬

2.1絞刀的模型

絞刀主要由大環(huán)、輪轂、刀臂和刀齒組成[11]。數(shù)值計算采用“長獅X號”1 000 kW絞刀，絞刀的模型見圖2，尺寸參數(shù)見表1。

圖2　絞刀的三維模型

絞刀外徑/mmD2660大環(huán)外徑/mmD12810大環(huán)內(nèi)徑/mmD22330大環(huán)壁厚/mmδ240大環(huán)高/mmh2180刀臂數(shù)/mmz6刀臂外輪廓線頂點(diǎn)高度/mmH1740刀臂內(nèi)輪廓線頂點(diǎn)高度/mmh1480刀臂寬度/mmB720刀臂厚度/mmΔ120刀臂安裝角/(°)φ58刀臂外輪廓線包角/(°)Ω175刀臂內(nèi)輪廓線包角/(°)Ω260輪轂外徑/mmd1780輪轂內(nèi)徑/mmd2460輪轂高/mmh1769

2.2絞刀流場計算域的設(shè)置和網(wǎng)格的劃分

如圖3所示，設(shè)置絞刀與水平面的傾角為40°。將絞刀流場計算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域，旋轉(zhuǎn)域的尺寸設(shè)置為包圍住絞刀的圓柱體，直徑6 m，長3 m；靜止域?yàn)殚L方體，長25 m、寬20 m、高17 m。中間空出來的圓柱體為絞刀支撐部分，半徑為5 m。在中間支撐圓柱與旋轉(zhuǎn)域中間的面上設(shè)置一腰子形出口，出口大小為0.5 m2，見圖4。

圖3　絞刀流場計算域的劃分

圖4　絞刀流場出口

絞刀在旋轉(zhuǎn)過程中，越靠近絞刀中心的流域受到絞刀的影響越大，需要對絞刀附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，對遠(yuǎn)離絞刀中心的網(wǎng)格進(jìn)行稀疏化。在ICEM CFD中共劃分網(wǎng)格數(shù)983 251，其中四面體網(wǎng)格為521 684，六面體網(wǎng)格為461 567。通過計算和網(wǎng)格修改，本例中網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4以上，符合計算要求。

2.3邊界條件的設(shè)定

針孔模型是攝像頭的最簡單模型。其原理是,光線從場景或物體發(fā)射過來,經(jīng)過一個點(diǎn)可認(rèn)為針孔,被投影到成像表面,在圖像平面上,圖像被聚焦。因此與遠(yuǎn)處物體相關(guān)的圖像大小可以只用一個攝像頭參數(shù)來描述:焦距。

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入CFX中，對仿真模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。

1)壁面邊界的設(shè)置。因絞刀工作環(huán)境的復(fù)雜性，周圍水流速度的不確定性，將入口處的速度設(shè)置為0，即整個絞刀在沒有初始流度的水域中工作。將計算域的上下面設(shè)置為無滑移壁面，計算域的其他壁面設(shè)置為開放式邊界，相對壓力為0。同時，將支撐圓柱的壁面設(shè)置為無滑移壁面。

2)出口邊界的設(shè)置。根據(jù)一般吸泥泵的流量要求，設(shè)置出口速度為2 m/s；

3)旋轉(zhuǎn)域的設(shè)置。分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速為10、20、30、40、50 r/min 5組數(shù)據(jù)；

4)泥沙顆粒的注入。在旋轉(zhuǎn)域下方2 mm處設(shè)置一個0.5 m2圓形注入口。泥沙最小直徑為50 μm，最大直徑為500 μm，平均直徑250 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為75 μm，密度為2 300 kg/m3，質(zhì)量流量分別為5、10、15 kg/s，水和沙粒采用完全耦合，均勻注入水域中，曳力采用Schiller-Naumann模型；

5)控制方程采用k-ε模型。

3　結(jié)果與分析

在絞刀流場分析的后處理中，不同絞刀轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)口泥沙量下的泥沙吸入情況見圖5。

圖5　泥沙吸入百分比

圖5中泥沙吸入百分比即泥沙吸入量與進(jìn)口泥沙量的比值。在進(jìn)口泥沙量一定的情況下，絞刀轉(zhuǎn)速過低，泥沙吸入量很小，泥沙吸入百分比只有4%～9%；隨著絞刀轉(zhuǎn)速的增加，泥沙吸入百分比逐步增加，當(dāng)絞刀轉(zhuǎn)速為30 r/min，泥沙吸入百分比達(dá)到最大值；絞刀轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，泥沙吸入百分比反而出現(xiàn)降低的情況，降低的趨勢比較平緩。在絞刀轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著進(jìn)口泥沙量的增加，泥沙吸入百分比稍微有所增加，增福不明顯。

因此，絞刀轉(zhuǎn)速對于泥沙吸入量的影響比進(jìn)口泥沙量要大，絞刀轉(zhuǎn)速過低或者過高均不利于泥沙的吸入。同時，絞刀轉(zhuǎn)速過高，帶動絞刀的電機(jī)功率也會增加，泥沙吸入百分比反而下降，導(dǎo)致挖泥船的能耗增加，工作效率降低。在絞吸式挖泥船實(shí)際施工過程中，在進(jìn)口泥漿濃度較低的情況下，應(yīng)設(shè)置合適的絞刀轉(zhuǎn)速來提高泥沙產(chǎn)量。

上述結(jié)果與絞刀在旋轉(zhuǎn)過程中形成的復(fù)雜速度場有關(guān)，絞刀轉(zhuǎn)速分別為10、30、50 r/min的流場速度分布云圖見圖6所示。

圖6　速度分布云圖

絞刀在水中旋轉(zhuǎn)工作，泥沙會散布于整個絞刀流場區(qū)域。流場內(nèi)的水是牛頓體，運(yùn)用牛頓粘性定律，隨著絞刀轉(zhuǎn)速的增加，水的剪切力增大，流場中速度梯度會增大。當(dāng)絞刀轉(zhuǎn)速較低時，對周圍水域的影響范圍較大，整個絞刀的流場速度分布梯度不明顯，泥沙會均勻的擴(kuò)散于整個流場中，造成泥沙吸入量偏小。當(dāng)絞刀轉(zhuǎn)速過高時，絞刀周圍會形成速度梯度很大的流場區(qū)域，相對于低轉(zhuǎn)速的情況，絞刀對周圍影響的范圍較小，此時，泥沙會較多地散布于絞刀內(nèi)部區(qū)域，吸入口處吸入量增加。絞刀轉(zhuǎn)速在30 r/min左右時，絞刀內(nèi)外流場會形成較大的速度差，此現(xiàn)象有利于泥沙聚集在吸入口附近，泥沙吸入量達(dá)到最大值；當(dāng)絞刀轉(zhuǎn)速超過30 r/min時，泥沙由于離心力的作用，會被“甩出”絞刀內(nèi)流場，泥沙吸入量減小。速度云圖顯示，在絞刀的內(nèi)部還會形成漩渦，特別是靠近傳動軸的部分，這種現(xiàn)象導(dǎo)致絞刀內(nèi)部流場中速度很小，泥沙可以在絞刀內(nèi)部流場中與水混合而不至于逸散出絞刀內(nèi)流場。

4　結(jié)論

1)泥沙吸入量只占絞刀挖掘泥沙量的一部分，在泥漿質(zhì)量濃度較低的情況下，泥沙吸入百分比只有15%左右，很大一部分被挖掘的泥沙會擴(kuò)散至周圍水域。絞刀轉(zhuǎn)速和進(jìn)口泥沙量均會對泥沙吸入量產(chǎn)生一定的影響，但絞刀轉(zhuǎn)速是主要影響因素，可以通過控制絞刀的轉(zhuǎn)速來提高泥沙的產(chǎn)量，進(jìn)而提高挖泥船的工作效率。

2)在流場分析過程中，計算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域，便于模擬絞刀的旋轉(zhuǎn)；通過注入泥沙顆粒，采用歐拉兩相流模型模擬水和泥沙顆粒的運(yùn)動。對于低濃度泥沙顆粒，受力主要為曳力，采用Schiller-Naumann模型；對于高濃度的泥沙顆粒物，應(yīng)考慮采用Wen Yu模型或者Gidaspow模型。

3)影響泥沙吸入量的因素有很多，除了絞刀轉(zhuǎn)速和進(jìn)口泥沙量外，還包括挖泥船所處的水域流速、絞刀橫移速度、絞刀挖深、泥泵的流量及泥泵的吸入真空度等，在數(shù)值仿真中，忽略了以上影響因素，進(jìn)一步的研究應(yīng)考慮以上影響因素。

[1] 劉恒序.挖泥船環(huán)保絞刀裝置設(shè)計與流體性能分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[2] 李超.基于CFD的環(huán)保絞刀裝置流場性能分析研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

[3] 方園，倪福生.挖泥船絞刀二維清水流場數(shù)值模擬[J].中國港灣建設(shè),2011(2):4-7.

[4] 王海榮.挖泥船泥沙輸送動態(tài)特性研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[5] 盧雨.挖泥吸盤流場特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[6] MIEDEMA S A. The cutting mechanisms of water saturated sand at small and large cutting angles[D]. Delft:Delft University of Technology, 2004.

[7] FRED Stern. Quantitative V&V of CFD simulations and certification of CFD codes[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2005,50(11):1335-1355.

[8] LI Yang, OU Yanghua, ZHAO Hui.Experimental research on aerodynamic performance and exit flow field of low pressure axial flow fan with circumferential skewed blades[J].Journal of Hydrodynamics,2007,19(5):579-586.

[9] 張小萍，吳彬，徐萌，等.基于CFX的高壓羅茨鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)流場數(shù)值模擬[J].制造業(yè)自動化,2013,35(12):82-86.

[10] 王光謙.河流泥沙研究進(jìn)展[J].泥沙研究,2007(5):64-80.

[11] 李柏，焦修勤，黃睿，等.絞吸式挖泥船挖巖絞刀動載荷模擬分析[J].船海工程,2013,42(5):119-122.

Numerical Simulation of Influencing Factors on Sediment Intake of Cutter Suction Dredger

LIU Yong-jie, ZHU Han-hua, WU Ying, ZHENG Liang-yan

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Aiming at the problem of sediment low intake in the working process of cutter suction dredger, CFX software is used to numerical simulation of reamer flow to analyze the influence of cutter speed and inlet mass flow sediment inhalation on sediment intake. The results show that compared with inlet mass flow sediment, the reamer speed impacts on sediment intake more obviously. In the process of dredging work, setting the appropriate speed can improve the sediment yield.

inlet mass flow sediment; reamer speed; sediment intake; CFX; numerical simulation

2016-04-07

2016-04-28

國家自然基金(51179144)

劉永杰(1990—)，男，碩士生

U674.31

A

1671-7953(2016)04-0166-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.039

研究方向:疏浚工程與流場分析

E-mail:liuyongjie9294@163.com