绞吸挖泥船水流作用力数值模拟

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1、绞吸挖泥船水流作用力数值模拟张盼盼[1,2]，徐立群[1,2]，倪福生[1,2]（1．河海大学机电工程学院，江苏常州2130222．河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏常州213022）摘要：基于雷诺时均Navier-Stokes方程对绞吸挖泥船周边流场进行三维数值模拟计算，采用重整化群RNGk-ɛ湍流模型，运用Fluent软件针对绞吸挖泥船在不同来流角度及速度下的水流阻力特性进行定常数值计算，获得了不同来流角度及速度下的水流作用力及阻力系数变化规律，为绞吸挖泥船的设计及施工提供了依据。关键词：绞

2、吸挖泥船；k-ɛ湍流模型；水流阻力；阻力系数；数值计算NumericalSimulationoftheCurrentDragForceontheaCutterSuctionDredgerZHANGPan-pan[1,2]，XULi-qun[1,2]，NIFu-sheng[1,2](1.FacultyofMechanical&ElectricalEngineering,HohaiUniversity,Changzhou,2130222.EngineeringResearchCenterofDredgin

3、gTechnologyofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Changzhou,213022)Abstract:NumericalsimulationoftheflowfieldaroundtheacuttersuctiondredgerbasedonReynoldsaveragedNavier-Stokesequationwasconductedinthispaper.Thecurrentdragcharacteristicsofsteadynumericals

4、imulationoftheturbulentflowwascalculatedwiththeRNG(renormalizationgroup)k-ɛmodelandFLUENTatdifferentcurrentanglesandvelocities.Theflowdraganddragcoefficientwerecorrelated.Theresultscanbeusedasareferenceforthedesignandconstructionofacuttersuctiondredger.

5、Keywords:cuttersuctiondredger;k-ɛturbulentmodel;currentdragforce;dragcoefficient;numericalsimulation绞吸挖泥船是目前世界上在疏浚工程中使用较广泛的一种挖泥船，其左右横移是挖掘水下土壤的主要工艺过程。在横移过程中，船舶受到的阻碍，主要来自于绞刀切削土壤的阻力，此外，水流对船体的作用力也不容忽视。挖泥船施工作业时，变化的水流作用力会影响船舶的操控甚至有可能危及船舶的安全[1]。所以，研究水流对船体作用力特性

6、至关重要[2]。关于系泊船舶受水流作用力的影响，目前已有不少成果[3][4]，本文针对绞吸挖泥船近海作业时受水流作用力的影响进行了详尽计算分析。利用Fluent软件，采用雷诺N-S方程和RNGk-ɛ湍流模型，对船体在不同来流角度及速度下水流作用的流场进行数值模拟，得到了各情况下水流对船体的阻力及阻力系数，可供绞吸挖泥船设计及施工时参考。1.数值计算模型1.1控制方程和湍流模型本文将流体视为不可压缩流体，流动为定常流动，其控制方程为三维连续性方程和三维不可压缩的N-S方程。方程描述如下。连续性方程：8动

7、量方程：式中：为流体密度；为流体速度；为流体质量力；为压强；为雷诺应力张量；为雷诺应力；，为坐标。目前，使用广泛的湍流模型有标准k-ɛ两方程模型和重整化群RNGk-ɛ模型，两者的k方程和ɛ方程是相同的，不同的是后者采用的系数不是根据试验而是由理论推导所得。相比较标准k-ɛ模型，RNGk-ɛ模型应用更为广泛。1.2计算模型与网格划分1.2.1计算模型绞吸式挖泥船（如图1所示）[5]利用定位桩和左、右锚三点定位，通过收放两侧横移钢缆，使挖泥船围绕定位桩左右横移，实现对水下岩土的连续切削，被绞刀切削的土方与

8、水混合后由泥泵和管道输送至指定地点。绞吸式挖泥船施工时围绕定位桩横移，运动速度很慢，故船体结构都是设计成箱式的，而非通常船舶的流线型结构。本文探讨的水流阻力问题，可视为静止船舶的绕流问题。绞吸式挖泥船受水流作用力的部分主要有箱型船体、绞刀架及定位桩，且船体是主要部分，本文先对船体水流作用力进行重点分析，再考虑绞刀桥架及定位桩的影响。定位桩排泥管水下泥泵绞刀驾驶室驾驶室图1绞吸式挖泥船图2船体模型及受力示意图以某大型绞吸船为例进行分析计算，该船型长L=86