刘永杰，朱汉华，吴　楹，郑良焱

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)



绞吸式挖泥船泥沙吸入量影响因素的数值模拟分析

刘永杰，朱汉华，吴楹，郑良焱

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

针对绞吸式挖泥船在工作过程中泥沙吸入量过低的问题，采用CFX软件对绞刀流场进行数值模拟，模拟结果显示，较进口泥沙量而言，绞刀转速对泥沙吸入量的影响更明显，在挖泥船工作过程中，可以通过设置合适的绞刀转速来提高泥沙的产量。

进口泥沙量；绞刀转速；泥沙吸入量；CFX；数值模拟

绞刀是绞吸式挖泥船的关键设备之一，其流场特性往往能决定挖泥船的工作效率。以往的相关研究主要针对绞吸式挖泥船绞刀的清水流场，分析不同参数下绞刀流场的速度和压力分布，借此判断绞刀的工作性能[1-3]。由于绞刀工作环境较为特殊，绞刀与周围水、切削泥沙之间会形成复杂的流场，对复杂流场中泥沙吸入量和绞刀转速、进口泥沙量之间关系的研究更是缺乏。在挖泥船工作过程中，绞刀转速过低，切削泥沙不能与水充分混合，容易造成泥沙沉降；绞刀转速过高，切削介质会扩散至周围水域，对水域造成二次污染，这些原因导致泥沙吸入量只占绞刀切削泥沙量的20%～30%[4-5]。绞刀在实际工作过程中，流场中的介质不仅有水，而且还有散布于整个流场中的泥沙。泥沙吸入量作为判断绞刀工作性能的重要指标之一，此前对其关注程度不够。为此，通过建立绞刀流场中水和泥沙运动的两相流模型，采用数值模拟的方法计算不同绞刀转速和进口泥沙量下的泥沙吸入量，分析泥沙吸入量偏小的原因。

1　绞刀流场分析数学模型

1.1流场分析中的控制方程

由于绞刀流场中的介质主要是水和泥沙混合形成的泥浆，将泥浆视为不可压缩流体，计算过程中不考虑热交换问题，因此可忽略能量守恒定律[6-7]。

泥浆在绞刀流场中流动，必须满足质量守恒定律[8]，其微分方程为

μ，v，w——x、y、z向上的速度分量。

式中：fx，fy，fz——控制体在x、y、z方向上的受力；

μ——水的粘度；

p——压强。

本例计算采用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的产生项，可表示为

1.2两相流中泥沙受力模型

绞刀流场中的介质为水和泥沙的混合物，即泥沙颗粒分布于水中形成泥浆[10]。泥沙颗粒在水中受力包括惯性力、重力、压差力、曳力、附加质量力、Basset力、升力、Magnus力和Saffman力等，其中惯性力、重力和压差力与颗粒流体之间的相对运动无关，而其他力均依赖于颗粒之间的相对运动。因此，颗粒流体之间的主要作用力为曳力，如图1所示。本例中采用低质量浓度的泥浆，曳力采用Schiller-Naumann关系式：

(6)

式中：ReP——过渡区的雷诺数。

图1　颗粒流体两相流模型

2　数值模拟

2.1绞刀的模型

绞刀主要由大环、轮毂、刀臂和刀齿组成[11]。数值计算采用“长狮X号”1 000 kW绞刀，绞刀的模型见图2，尺寸参数见表1。

图2　绞刀的三维模型

绞刀外径/mmD2660大环外径/mmD12810大环内径/mmD22330大环壁厚/mmδ240大环高/mmh2180刀臂数/mmz6刀臂外轮廓线顶点高度/mmH1740刀臂内轮廓线顶点高度/mmh1480刀臂宽度/mmB720刀臂厚度/mmΔ120刀臂安装角/(°)φ58刀臂外轮廓线包角/(°)Ω175刀臂内轮廓线包角/(°)Ω260轮毂外径/mmd1780轮毂内径/mmd2460轮毂高/mmh1769

2.2绞刀流场计算域的设置和网格的划分

如图3所示，设置绞刀与水平面的倾角为40°。将绞刀流场计算域划分为旋转域和静止域，旋转域的尺寸设置为包围住绞刀的圆柱体，直径6 m，长3 m；静止域为长方体，长25 m、宽20 m、高17 m。中间空出来的圆柱体为绞刀支撑部分，半径为5 m。在中间支撑圆柱与旋转域中间的面上设置一腰子形出口，出口大小为0.5 m2，见图4。

图3　绞刀流场计算域的划分

图4　绞刀流场出口

绞刀在旋转过程中，越靠近绞刀中心的流域受到绞刀的影响越大，需要对绞刀附近的网格进行加密，对远离绞刀中心的网格进行稀疏化。在ICEM CFD中共划分网格数983 251，其中四面体网格为521 684，六面体网格为461 567。通过计算和网格修改，本例中网格质量均在0.4以上，符合计算要求。

2.3边界条件的设定

针孔模型是摄像头的最简单模型。其原理是,光线从场景或物体发射过来,经过一个点可认为针孔,被投影到成像表面,在图像平面上,图像被聚焦。因此与远处物体相关的图像大小可以只用一个摄像头参数来描述:焦距。

将网格文件导入CFX中，对仿真模型进行边界条件的设置。

1)壁面边界的设置。因绞刀工作环境的复杂性，周围水流速度的不确定性，将入口处的速度设置为0，即整个绞刀在没有初始流度的水域中工作。将计算域的上下面设置为无滑移壁面，计算域的其他壁面设置为开放式边界，相对压力为0。同时，将支撑圆柱的壁面设置为无滑移壁面。

2)出口边界的设置。根据一般吸泥泵的流量要求，设置出口速度为2 m/s；

3)旋转域的设置。分别设置旋转域的转速为10、20、30、40、50 r/min 5组数据；

4)泥沙颗粒的注入。在旋转域下方2 mm处设置一个0.5 m2圆形注入口。泥沙最小直径为50 μm，最大直径为500 μm，平均直径250 μm，标准差为75 μm，密度为2 300 kg/m3，质量流量分别为5、10、15 kg/s，水和沙粒采用完全耦合，均匀注入水域中，曳力采用Schiller-Naumann模型；

5)控制方程采用k-ε模型。

3　结果与分析

在绞刀流场分析的后处理中，不同绞刀转速、不同进口泥沙量下的泥沙吸入情况见图5。

图5　泥沙吸入百分比

图5中泥沙吸入百分比即泥沙吸入量与进口泥沙量的比值。在进口泥沙量一定的情况下，绞刀转速过低，泥沙吸入量很小，泥沙吸入百分比只有4%～9%；随着绞刀转速的增加，泥沙吸入百分比逐步增加，当绞刀转速为30 r/min，泥沙吸入百分比达到最大值；绞刀转速继续增加，泥沙吸入百分比反而出现降低的情况，降低的趋势比较平缓。在绞刀转速一定的情况下，随着进口泥沙量的增加，泥沙吸入百分比稍微有所增加，增福不明显。

因此，绞刀转速对于泥沙吸入量的影响比进口泥沙量要大，绞刀转速过低或者过高均不利于泥沙的吸入。同时，绞刀转速过高，带动绞刀的电机功率也会增加，泥沙吸入百分比反而下降，导致挖泥船的能耗增加，工作效率降低。在绞吸式挖泥船实际施工过程中，在进口泥浆浓度较低的情况下，应设置合适的绞刀转速来提高泥沙产量。

上述结果与绞刀在旋转过程中形成的复杂速度场有关，绞刀转速分别为10、30、50 r/min的流场速度分布云图见图6所示。

图6　速度分布云图

绞刀在水中旋转工作，泥沙会散布于整个绞刀流场区域。流场内的水是牛顿体，运用牛顿粘性定律，随着绞刀转速的增加，水的剪切力增大，流场中速度梯度会增大。当绞刀转速较低时，对周围水域的影响范围较大，整个绞刀的流场速度分布梯度不明显，泥沙会均匀的扩散于整个流场中，造成泥沙吸入量偏小。当绞刀转速过高时，绞刀周围会形成速度梯度很大的流场区域，相对于低转速的情况，绞刀对周围影响的范围较小，此时，泥沙会较多地散布于绞刀内部区域，吸入口处吸入量增加。绞刀转速在30 r/min左右时，绞刀内外流场会形成较大的速度差，此现象有利于泥沙聚集在吸入口附近，泥沙吸入量达到最大值；当绞刀转速超过30 r/min时，泥沙由于离心力的作用，会被“甩出”绞刀内流场，泥沙吸入量减小。速度云图显示，在绞刀的内部还会形成漩涡，特别是靠近传动轴的部分，这种现象导致绞刀内部流场中速度很小，泥沙可以在绞刀内部流场中与水混合而不至于逸散出绞刀内流场。

4　结论

1)泥沙吸入量只占绞刀挖掘泥沙量的一部分，在泥浆质量浓度较低的情况下，泥沙吸入百分比只有15%左右，很大一部分被挖掘的泥沙会扩散至周围水域。绞刀转速和进口泥沙量均会对泥沙吸入量产生一定的影响，但绞刀转速是主要影响因素，可以通过控制绞刀的转速来提高泥沙的产量，进而提高挖泥船的工作效率。

2)在流场分析过程中，计算域划分为旋转域和静止域，便于模拟绞刀的旋转；通过注入泥沙颗粒，采用欧拉两相流模型模拟水和泥沙颗粒的运动。对于低浓度泥沙颗粒，受力主要为曳力，采用Schiller-Naumann模型；对于高浓度的泥沙颗粒物，应考虑采用Wen Yu模型或者Gidaspow模型。

3)影响泥沙吸入量的因素有很多，除了绞刀转速和进口泥沙量外，还包括挖泥船所处的水域流速、绞刀横移速度、绞刀挖深、泥泵的流量及泥泵的吸入真空度等，在数值仿真中，忽略了以上影响因素，进一步的研究应考虑以上影响因素。

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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

国家自然基金(51179144)

刘永杰(1990—)，男，硕士生

U674.31

A

1671-7953(2016)04-0166-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.039

研究方向:疏浚工程与流场分析

E-mail:liuyongjie9294@163.com