耙吸挖泥船環(huán)保溢流筒不同角度環(huán)保閥數(shù)值模擬

石啟正， 鄭金龍

(中港疏浚有限公司， 上海200120)

由于耙吸挖泥船在裝艙過程中泥漿無法充分沉淀， 將會(huì)在泥艙頂部形成濁液， 并通過泥艙中的溢流筒從艙底排出。 由于排出的濁液含有大量氣泡， 加上濁液與船體、 螺旋槳之間的相互作用，濁液將長(zhǎng)時(shí)間懸浮在水面上， 在船尾形成溢流擴(kuò)散。 而當(dāng)濁液排出泥艙后， 溶解在泥漿中的空氣會(huì)以氣泡的形式上浮到水體表面， 造成濁液長(zhǎng)時(shí)間停留在水面， 不僅影響水面的環(huán)境， 甚至?xí)斐珊Ｑ笾械纳锼劳觥?隨著環(huán)保疏浚、 海洋環(huán)境保護(hù)的要求日益提高， 環(huán)保溢流筒技術(shù)受到越來越多的關(guān)注， 因此， 如何有效減少耙吸挖泥船的溢流擴(kuò)散變得至關(guān)重要， 通過在耙吸挖泥船上安裝溢流消能裝置， 可以有效減少溢流液體中空氣含量、 降低對(duì)周圍水域的污染。

耙吸挖泥船的裝艙溢流過程屬于氣液兩相流動(dòng)， 需要研究氣體與液體兩相介質(zhì)在共同流動(dòng)條件下的耦合規(guī)律[1]， 采用均相流模型對(duì)氣體與液體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特性做合理的假設(shè)， 將其視為一種均勻的混合物， 假定計(jì)算單相模型的數(shù)學(xué)和物理方程依舊適用， 這種模型廣泛應(yīng)用氣液兩相流模擬計(jì)算[2]。 因此研究環(huán)保溢流筒中不同角度環(huán)保閥位置的數(shù)值模型， 可有效控制施工區(qū)域溢流液中的污染物， 對(duì)于港口環(huán)境改善有很重要的作用。

1 溢流筒改造

溢流筒中的環(huán)保閥由耐磨閥板和支撐、 中間連桿、 長(zhǎng)連桿結(jié)構(gòu)和升降油缸、 支架結(jié)構(gòu)以及線纜架組成。 耙吸挖泥船溢流筒改造、 設(shè)計(jì)需要考慮盡量利用原有結(jié)構(gòu)， 長(zhǎng)連桿的支撐均利用原有十字撐。

耐磨閥板是環(huán)保溢流筒的主要承載構(gòu)件[3]，要求在滿載泥漿混合物時(shí)能夠提供足夠的強(qiáng)度和剛度以保持閥板的角度， 也要考慮其耐磨性。 當(dāng)液壓油缸驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)連桿、 帶動(dòng)中間連桿將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為閥板的繞軸開閉運(yùn)動(dòng)時(shí)， 另外也要考慮泥漿充滿溢流筒時(shí)閥板仍能正常工作。 原溢流筒由上部活動(dòng)筒體及下部套筒組成， 下部套筒與三角艙相連固定。 一方面， 若上部活動(dòng)筒體運(yùn)動(dòng)到泥艙較低位置， 考慮其布置空間， 環(huán)保閥安裝在活動(dòng)筒體下部； 另一方面， 若將環(huán)保閥安裝在固定筒體底部， 連接桿強(qiáng)度和油缸驅(qū)動(dòng)能力要相應(yīng)提高。

2 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

2.1 數(shù)值模型

本文采用CFX 中的均相流模型進(jìn)行耙吸挖泥船裝艙溢流過程的數(shù)值模擬， 用以驗(yàn)證環(huán)保閥減少空氣進(jìn)入溢流筒的作用， CFX 中的均相流模型的基本控制方程如下:

連續(xù)性方程

能量方程

式中:W為質(zhì)量流量； ρM為密度；vM為流速；A為流通面積；p為壓強(qiáng)； z 為位移； τo為流體與壁面的摩擦剪應(yīng)力；Ph為控制體周界長(zhǎng)度(在圓管中Ph=πD)；g為重力加速度； θ 為流速方向與水平方向的夾角；G為質(zhì)量流速；vn為比容；F為單位質(zhì)量的能力損失。

2.2 搭建模型及網(wǎng)格劃分

泥艙幾何模型根據(jù)萬方耙吸挖泥船泥艙及參數(shù)建立， 但為了后面數(shù)值模擬方便， 且不影響整個(gè)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性， 需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行修改。 1)實(shí)船上有2 個(gè)溢流筒， 且溢流筒沿泥艙中縱剖面對(duì)稱分布。 為了減少計(jì)算量， 可以根據(jù)對(duì)稱性原理建立模型， 只對(duì)半個(gè)泥艙進(jìn)行模擬分析。 2)疏浚管路共2 套， 只要對(duì)其中1 套疏浚管路進(jìn)行模擬計(jì)算。 疏浚管內(nèi)徑為1.2 m， 換算成面積為1.13 m2， 模擬時(shí)簡(jiǎn)化為一個(gè)邊長(zhǎng)1 m 的正方形， 但兩者的進(jìn)艙流量保持相同， 取總進(jìn)艙流量的一半， 為12 600 m3∕h。 由于進(jìn)口面積略有不同，進(jìn)艙時(shí)的流速也略有不同， 但是進(jìn)口離溢流筒的距離甚遠(yuǎn)， 加上兩者的流速相差本來就不大， 因而面積不同帶來的影響可以忽略。 3)在實(shí)船上，溢流筒高度可以上下調(diào)節(jié)， 但在數(shù)值模擬中取固定值為12 m。

泥艙模型見圖1。 泥沙從左側(cè)入口進(jìn)入， 由溢流筒底部的出口流出。 圖1 中粗實(shí)線框出對(duì)稱面，在實(shí)船上泥艙和溢流筒沿該面對(duì)稱分布。 在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)， 將該面的邊界條件設(shè)置為symmetry，溢流筒入口附近的網(wǎng)格見圖2， 溢流筒入口附近及環(huán)保閥附近是流動(dòng)變化最為明顯的地方， 因而環(huán)保閥附近網(wǎng)格需要進(jìn)行加密處理， 并在環(huán)保閥壁面設(shè)置邊界層[4]。 模擬計(jì)算之前， 以閥板與水平方向的夾角為45°時(shí)為例， 截取環(huán)保閥附近的網(wǎng)格， 見圖3。 對(duì)環(huán)保閥附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理， 總體網(wǎng)格數(shù)量為2 183 602。

圖1 泥艙模型

圖2 溢流筒入口附近網(wǎng)格

圖3 環(huán)保閥附近的網(wǎng)格

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 泥沙從泥艙左側(cè)入口進(jìn)入

本節(jié)數(shù)值模擬主要是為了驗(yàn)證環(huán)保溢流筒應(yīng)用于實(shí)船上的效果， 也為指導(dǎo)環(huán)保溢流筒實(shí)船操作打下基礎(chǔ)。 在圖4 中， 依次為泥艙溢流筒內(nèi)無環(huán)保閥、 環(huán)保閥水平夾角為45°、 環(huán)保閥水平夾角為30°時(shí)的溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖。 從圖4 可以看出， 溢流筒內(nèi)未安裝環(huán)保閥時(shí)， 溢流筒內(nèi)存在較大的氣體含量； 在環(huán)保閥水平夾角為45°時(shí)，溢流筒內(nèi)也存在大量氣體， 但是相對(duì)于無環(huán)保閥氣體含量明顯減少； 直到環(huán)保閥水平角度達(dá)到30°時(shí)， 溢流筒內(nèi)氣體含量顯著減少， 且比無環(huán)保閥、環(huán)保閥水平夾角為45°的氣體含量明顯降低[5]。

圖4 泥沙入口位于泥艙左側(cè)時(shí)泥艙及溢流筒中氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

為了進(jìn)一步詳細(xì)了解溢流筒內(nèi)部情況， 在溢流筒內(nèi)每隔1 m 截取一個(gè)平面， 每個(gè)截面上均勻取500 個(gè)點(diǎn)， 取截面各個(gè)點(diǎn)平均值為截面氣體體積分?jǐn)?shù)， 以各截面氣體體積分?jǐn)?shù)的平均值為溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)， 得到3 種情況時(shí)溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值， 見表1。

表1 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)值

從表1 可以看出， 安裝環(huán)保閥后溢流筒內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)還是有所減少， 尤其是在環(huán)保閥水平夾角為45°時(shí)僅減少了10.5%。 而在環(huán)保閥水平夾角為30°時(shí)減少了37.3%， 明顯比環(huán)保閥水平夾角為45°時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)減少量多且效果顯著， 也進(jìn)一步證實(shí)了安裝環(huán)保溢流筒確實(shí)有助于減少溢流液中的氣泡含量。

3.2 泥沙從泥艙中間位置進(jìn)入

在3.1 的數(shù)值模擬中， 將入口的位置設(shè)置在泥艙的最左側(cè)， 但在船舶實(shí)際裝艙過程中， 耙吸挖泥船通過泥泵， 經(jīng)過疏浚管道將泥沙混合物輸送到泥艙， 疏浚管道位于泥艙的正上方， 泥沙由泥艙上方進(jìn)入泥艙。 為了更精確地模擬環(huán)保溢流筒實(shí)船應(yīng)用情況， 先將模型中的泥沙入口位置移到接近泥艙中間位置(圖5)， 觀察該種情況下泥艙內(nèi)的氣體分布情況[6]。

圖5 泥沙入口位于中部時(shí)泥艙模型

將疏浚管入口移至泥艙中間時(shí)， 分別模擬了溢流筒內(nèi)不安裝環(huán)保閥和環(huán)保閥水平夾角為45°兩種情況， 其數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。 在溢流筒內(nèi)未安裝環(huán)保閥時(shí)， 入口位置在泥艙最左側(cè)和泥艙中間時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分別為0.175 6%和0.151 4%， 氣體體積分?jǐn)?shù)略有減?。?當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為45°時(shí)， 將泥沙入口位置由最左側(cè)變?yōu)橹虚g時(shí)， 如圖6c)所示， 環(huán)保閥上端會(huì)有空泡現(xiàn)象產(chǎn)生， 溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)會(huì)有所增大， 由此可見泥沙入口位置會(huì)對(duì)實(shí)船安裝環(huán)保閥的效果有所影響。

圖6 泥沙入口位于泥艙中間時(shí)泥艙及溢流筒氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

3.3 完整泥艙模型

在3.2 數(shù)值模擬中， 泥艙內(nèi)只由1 個(gè)溢流筒構(gòu)成， 溢流筒的附近即為艙壁； 但在實(shí)際上耙吸挖泥船泥艙內(nèi)有2 個(gè)溢流筒， 在泥沙溢流時(shí)2 個(gè)溢流筒之間流態(tài)會(huì)存在相互影響。 在耙吸挖泥船裝艙溢流時(shí)， 操作人員會(huì)根據(jù)施工的實(shí)際情況，選擇僅使用其中之一或者同時(shí)使用2 只溢流筒[7]，所以應(yīng)搭建完整的耙吸挖泥船泥艙模型， 見圖7。模擬工況可以分為2 種情況: 1)工況1。 其中1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉。2)工況2。 2 只溢流筒同時(shí)工作。

圖7 2 只溢流筒的泥艙模型

工況1 僅讓1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉， 泥艙模型見圖7， 溢流筒和入口位置與耙吸挖泥船實(shí)船泥艙保持基本一致。溢流筒內(nèi)的氣體積分?jǐn)?shù)云圖見8、 9。 通過圖8、9 可以看出， 封閉的筒內(nèi)幾乎不存在任何氣體，正常工作的筒內(nèi)存在大量的氣體， 而且環(huán)保閥上端會(huì)產(chǎn)生空泡現(xiàn)象， 上部溢流筒口吸入的空氣量減少。

圖8 工況1 沿船長(zhǎng)方向泥艙氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

圖9 工況1 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

作為參照， 對(duì)工況2 進(jìn)行數(shù)值模擬， 2 只溢流筒同時(shí)工作時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)云圖見10。 2 只溢流筒同時(shí)工作時(shí)溢流筒內(nèi)都存在氣體， 但氣體分布和1 只溢流筒工作時(shí)有所區(qū)別， 1 只溢流筒工作時(shí)環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象比2 只溢流筒同時(shí)工作時(shí)環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象有所減緩， 上部溢流筒口吸入的空氣逐漸減小， 主要是由于進(jìn)口流量、 泥艙內(nèi)液面高度所決定的。

圖10 工況2 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

4 結(jié)論

1)通過對(duì)溢流筒內(nèi)無環(huán)保閥、 環(huán)保閥水平夾角為45°、 環(huán)保閥水平夾角為30°共3 種工況的溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖分析可知: 在原來溢流筒中安裝環(huán)保閥可以明顯減少氣泡含量， 當(dāng)環(huán)保閥水平夾角在30°～45°范圍內(nèi)均可以減少溢流液中的氣泡含量， 尤其是當(dāng)環(huán)保閥水平夾角30°時(shí)環(huán)保溢流筒效果最佳。

2)通過對(duì)泥沙不同入口位置及完整泥艙溢流筒兩種工況的數(shù)值模擬， 可以得出耙吸船實(shí)際泥艙入口位置易在環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。 當(dāng)2 只溢流筒其中1 只溢流筒正常溢流， 另1 只溢流筒不工作時(shí)， 在環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡量比較少。