绞吸式挖泥船泥沙吸入量影响因素的数值模拟分析.pdf

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1、第45卷第4期船海工程Vol.45No.42016年8月SHIP&OCEANENGINEERINGAug.2016D01：10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.039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)摘要:针对绞吸式挖泥船在工作过程中泥沙吸人量过低的问题，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，绞刀转速对泥沙吸人量的影响更明显，在挖泥船工作过程中，可以通过设置合适

2、的绞刀转速来提高泥沙的产量。关键词:进口泥沙量;绞刀转速;泥沙吸人量;CFX;数值模拟中图分类号：U674.31文献标志码:A文章编号：1671-7953(2016)04-0166~04绞刀是绞吸式挖泥船的关键设备之一，其流中不考虑热交换问题，因此可忽略能量守恒定场特性往往能决定挖泥船的工作效率。以往的相律[6-7]〇关研究主要针对绞吸式挖泥船绞刀的清水流场，泥浆在绞刀流场中流动，必须满足质量守恒分析不同参数下绞刀流场的速度和压力分布，借定律[8]，其微分方程为此判断绞刀的工作性能[13]。由于绞刀工作环境.

3、vdhnil+wHimlo(1)较为特殊，绞刀与周围水、切削泥沙之间会形成复Bydz杂的流场，对复杂流场中泥沙吸入量和绞刀转速、式中:p——流体密度；进口泥沙量之间关系的研究更是缺乏。在挖泥船向上的速度分量。工作过程中，绞刀转速过低，切削泥沙不能与水充动量守恒定律也是绞刀流场分析中要遵循分混合，容易造成泥沙沉降;绞刀转速过高，切削的，其微分方程为介质会扩散至周围水域，对水域造成二次污染，这dfjidpd2/Jid2/X、p.L■/JiI+2+2dxdrdz>些原因导致泥沙吸入量只占绞刀切削泥沙量的220%~3

4、0%[4—5]。绞刀在实际工作过程中，流场中dvdp(dvP——+a—^+⑵By^3xBydz.的介质不仅有水，而且还有散布于整个流场中的dwrdp'd2wd2wd2w泥沙。泥沙吸入量作为判断绞刀工作性能的重要ip^=p/2-^+^dz■dx2dydzz指标之一，此前对其关注程度不够。为此，通过建式中：/»，y；，/2——控制体在方向上的受力;立绞刀流场中水和泥沙运动的两相流模型，采用^——水的粘度；数值模拟的方法计算不同绞刀转速和进口泥沙量P—压强。下的泥沙吸入量，分析泥沙吸入量偏小的原因。本例计算采用方

5、程[9]。1绞刀流场分析数学模型3(pk)_3Iutdk1[(弘++Gk-psdt'3'1.1流场分析中的控制方程yj句由于绞刀流场中的介质主要是水和泥沙混合(3)形成的泥浆，将泥浆视为不可压缩流体，计算过程dipsu)dutdsI,[(弘+dt'3'dxidxfrS1收稿日期=2016-04-07cleC2sP(4)k修回日期=2016-04-28基金项目：国家自然基金(51179144)式中:P——水的密度；第一作者简介:刘永杰（1990—），男，硕士生'----速度矢量；研究方向：疏浚工程与流场分析

6、U,v,w-----在*、7、2方向上的分量;E-mail：liuyongjie9294@163.comut—湍流粘度；1662016年船海工程刘永杰，等:绞吸式挖泥船泥沙吸A*影响因素的数值模拟分析第4期第45卷〜=1.44;C^=1.92;表1绞刀的尺寸参数Gk——平均速度梯度引起的湍流&的产生绞刀外径/mmD2660项，可表示为大环外径/mmD,2810大环内径/mmd22330丨&W“概)、(

7、)2,dzn大环壁厚/mm8240大环高/mmh2180du+dv、ldudw+fdv+dw+

8、—+—}(5

9、)刀臂数/mmz6dydx/dzdxdzdy>刀臂外轮廓线顶点高度/nH17401.2两相流中泥沙受力模型刀臂内轮廓线顶点高度/nh1480绞刀流场中的介质为水和泥沙的混合物，即刀臂宽度/mmB720泥沙颗粒分布于水中形成泥浆[1°、泥沙颗粒在刀臂厚度/mmA120水中受力包括惯性力、重力、压差力、曳力、附加质刀臂安装角/(°)58量力、Basset力、升力、Magnus力和Saffman力等，刀臂外轮廓线包角/(°)nx75刀臂内轮廓线包角/nn260其中惯性力、重力和压差力与颗粒流体之间的相轮毂外径/

10、mmd.780对运动无关，而其他力均依赖于颗粒之间的相对轮毂内径/mm460运动e因此，颗粒流体之间的主要作用力为曳力，轮毂高/mmK769如图1所示。本例中采用低质量浓度的泥浆，曳2.2绞刀流场计算域的设置和网格的划分力米用Schiller-Naumann关系式：如图3所示，设置绞刀与水平面的倾角为=【(I+〇.15耐678)(6)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