基于流固耦合的管道機器人清淤裝置

羅繼曼，印 輝，郭松濤,戴璐璐

(沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽 110168)

清淤裝置作為管道清淤機器人的核心裝置，其清淤能力和清淤效果是評價該裝置設計合理性的重要指標。使用機械化裝置對排污管道進行清淤過程中，因清淤裝置的幾何復雜性，以及管道內流體、固體及氣體等介質的未知的相互作用，使得實際的清淤過程產生了復雜的流固耦合效應[1]。

目前，中外對清淤裝置的研究很少，而在流固耦合研究中大多對固體裝置在流體中的模態(tài)、強度或者力學特性進行研究。吳曉茹等[2]對懸浮式液壓立柱進行靜力學和單向流固耦合分析，研究其在不同載荷工況下的應力和變形情況，保證液壓立柱具有良好的強度和工作性能。隋秀華等[3]從單向流固耦合方向對缸體結構進行分析，分析該缸體的應力和變形，確定缸體的危險位置。前人對流固耦合研究多是通過流體作用后對結構進行相應分析，缺少結構對流體作用的深入研究。研究結構作用于流體后流體的運動狀態(tài)是驗證清淤裝置的清淤能力的有效直觀的方法。

基于此，利用有限元方法對管道機器人清淤裝置在管道中進行流固耦合研究，得到清淤裝置與流體相互作用后的流體運動狀態(tài)，以驗證其清淤能力，為該裝置的控制系統(tǒng)的研究提供理論依據(jù)。

1 清淤裝置模型

1.1 清淤機器人模型

以大管徑的管道機器人為研究對象，設計研發(fā)出一種新型管道清淤機器人。新型管道清淤機器人的工作環(huán)境為直徑800～1 000 mm，縱深長度小于90 m的地下排水管道?？紤]到管道形狀和尺寸，機器人體積盡可能地小，考慮到排水管道形狀多為圓形，因此機器人外形采用圓柱體結構設計，其機械系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為輪式行走機構、步進機構和清淤機構，如圖1所示。清淤機構是管道清淤機器人清除管道淤泥的核心部件由支撐裝置、清淤盤和葉片組成，如圖2所示。

1為步進機構；2為輪式行走機構；3為清淤機構圖1 管道清淤器人整機結構Fig.1 The picture of robot structure

1為扇形盤；2為連接盤；3為支撐盤；4為主軸；5為葉片；6為彈簧；7為刮刀圖2 清淤裝置剖視圖Fig.2 The sectional view of dredging device

1.2 工作原理

在推進系統(tǒng)和主軸旋轉時實現(xiàn)刮削-攪拌-過濾-推進-自流沖刷的五位一體清淤動作。扇形盤通過彈簧和滑道的作用可實現(xiàn)在管道內的過載保護功能，在清淤裝置的動力特性研究中得到扇形盤在滑道內的振動幅度很小，對流體的影響很小，即在流固耦合分析時不考慮扇形盤的振動。

1.3 確定運動參數(shù)

確定清淤運動轉速與推進速度,在運動學分析中，分析污泥的流變特性得出以下結論。如圖3所示，當清淤盤旋轉速度達到0.3～1.6 r/s時，污泥的黏度下降率可達到90%以上，并逐漸趨于穩(wěn)定即達到極限黏度[4]，依據(jù)這一結論，確定了清淤盤的轉速為0.3～1.6 r/s。通過查閱城市排污管道相關資料[5]，設定清淤工況，參數(shù)如表1所示。機器人在管道內清淤時，前進的阻力主要來自污水流動的作用，根據(jù)表1所示的污水流速，考慮順流時阻力為0的理想狀態(tài)，確定清淤裝置前進方向的速度為0.5～2.5 m/s。

圖3 污泥流變特性曲線Fig.3 The curve of sludge rheology characteristic

表1 清淤裝置的工況參數(shù)Table 1 Working condition of dredging device

2 流固耦合分析

固體和液體之間的相互作用是流固耦合力學的重要特征，即：在流體載荷作用下固體會產生相應的變形或運動，同樣變形或運動又會對液體流場產生影響，改變該流體載荷的分布和大小。在這種相互作用和不同條件下產生了形形色色的流固耦合現(xiàn)象[6]。

2.1 流固模型處理

將簡化后的清淤裝置模型導入ANSYS Workbench軟件中，并通過Geometry工具為其添加流體域，并進行布爾減運算處理流固域重疊部分，將處理過的流固模型導入到mesh模塊，由于清淤裝置結構不規(guī)整，而流體域和部分結構形狀規(guī)則，所以采取MultiZone網格劃分方法，采取系統(tǒng)默認的識別方法自動劃分合適的網格。

圖4 流體域有限元模型Fig.4 Fluid domain finite element model

2.2 有限元模型

模型基于流體域的網格劃分如圖4所示，其中有458 858個單元，共計127 468個節(jié)點。該模型基于固體域的網格劃分如圖5所示，有270 423單元，共計57 588個節(jié)點。由于計算機計算能力有限，網格劃分將流固耦合交界面處劃分的較細，而距離耦合面處比較遠的流體域處劃分的較大，這樣可以在不影響精度的前提下節(jié)省計算時間。

圖5 固體域有限元模型Fig.5 Solid domain finite element model

3 流固耦合的有限元法

3.1 流固耦合方程

流固耦合分析常采用分離解法[7]。分離解法又稱載荷傳遞法，是為研究清淤裝置對流體的作用采取固-流單向耦合仿真方法，即采用數(shù)據(jù)由固體傳遞到流體的傳遞路徑。結構對流體的作用體現(xiàn)在流體的壓力和速度的改變，因此用速度和壓力來描述流體運動[8]。

3.1.1 壓力場下的流體運動方程

設污泥流體為均勻不可壓縮介質，可得流體動力平衡方程為

(1)

在流體連續(xù)下條件下[式(2)]得到基于壓力場表達的流體運動方程[式(3)]。

(2)

(3)

3.1.2 速度場下的流體運動方程

存在以速度勢φ(x,y,z,t)與速度分量得到流體動平衡方程為

(4)

在流體連續(xù)條件[式(5)]下得到速度勢的流體運動方程[式(6)]。

(5)

(6)

3.1.3 結構運動方程

(7)

3.1.4 耦合面的數(shù)據(jù)傳遞

基于流固耦合分析的數(shù)據(jù)傳遞路徑是通過接觸面將流體計算結果和固體計算結果相互交換傳遞[9]，如圖4所示。在耦合接觸面處，該清淤裝置的位移變量可以傳遞給流體，流體的應力變量也可以傳遞給清淤裝置，但基于流固耦合分析的速度參數(shù)不能傳遞到固體耦合面上，同樣固體耦合面上應力分布也無法傳遞到流體場中[10]。

3.2 流固耦合參數(shù)設置

進入CFX(computational fluid X)模塊，根據(jù)表1所示的工況參數(shù)，由于計算能力有限設置流體域長度為1 000 mm，流體域直徑為320 mm，污水流速為2.5 m/s，密度為2 600 kg/m3，出口壓力為0。對給排水管道進行水利計算時，管道內流體流態(tài)均按湍流考慮，湍流模型設置為K-epsilon，動力黏度為0.01 Pa·s。

為驗證清淤能力，清淤能力仿真采取固-流單向耦合設置計算。根據(jù)1.3節(jié)清淤裝置轉速、前進方向速度以及流體流速，考慮順流和逆流的實際工況，并在逆流條件下在最低轉速和最高轉速時，在順流條件下考慮無阻力時，計算清淤裝置對流體的耦合作用，仿真初始條件如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameter

3.3 流固耦合后處理

設置收斂精度為0.001，耦合迭代曲線在計算到700步時各參數(shù)收斂?？紤]真實工況下的重力作用，流固耦合后處理時選取Y方向的管道中間界面提取仿真示意圖。逆流高轉速時，基于速度和壓力的流體運動曲線如圖6所示；逆流低轉速時，基于速度和壓力的流體運動曲線如圖7所示；順流高轉速時，基于速度和壓力的流體運動曲線如圖8所示。仿真分析結果如表3所示。

圖6 逆流高轉速Fig.6 Countercurrent and high speed

圖7 逆流低轉速Fig.7 Downstream and down speed

圖8 順流高轉速Fig.8 Downstream and high speed

表3 仿真分析結果Table 3 Analysis result of simulation

分析圖6～圖8、表3可知：①逆流條件下，高轉速(100 r/min)與低轉速(20 r/min)時，結構對流體產生的壓力相同，高轉速相對低轉速情況下結構對流體作用的速度提高了27.4%，高轉速是低轉速的5倍，故轉速對流體運動速度的提高效率比較低；②在高轉速條件下，逆流流速相對順流流速提高66.1%，逆流流體壓力相對順流流體壓力提高210.6%；③對比圖6與圖7可知，逆流高轉速相對逆流低轉速，流體的紊流狀態(tài)范圍更大、更顯著，而逆流低轉速時，流體的紊流狀態(tài)只發(fā)生在清淤裝置的中后部；④對比圖6和圖8可知，高轉速時，流體運動均在旋轉域內發(fā)生滯后于清淤裝置的旋流，而逆流相對于順流時，清淤裝置前后的流體的紊流狀態(tài)更顯著。

4 結論

對清淤裝置進行了旋轉條件下的流固單向耦合研究，得到以下結論。

(1)流體最大速度與最大應力均發(fā)生在清淤裝置與流體接觸面處，以及清淤裝置的旋轉域內，清淤裝置在逆流高轉速條件下對流體的攪拌作用效果顯著，有利于將沉積在管道內壁底部的淤泥攪拌并細化成推移質狀態(tài)。

(2)通過清淤裝置的流體會發(fā)生劇烈不規(guī)則運動，有利于淤泥的離散化；高轉下的攪拌效果更好，逆流條件下清淤裝置對流體作用的速度與壓力更大，對淤泥的清淤效果更好。