方園，倪福生

（河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 常州 213022）

絞吸挖泥船因具有廣泛的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，是目前世界上使用較廣泛的一種挖泥船。而絞刀則是絞吸式挖泥船工作中最重要的部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。挖泥船工作時是通過絞刀刀臂旋轉(zhuǎn)帶動刀齒破碎切削物來完成疏浚切削過程的。其中絞刀、切削物（泥沙）、水三者相互作用形成了絞刀周邊復(fù)雜的流場，水流和絞刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動無疑是決定流場狀態(tài)的關(guān)鍵因素。本文應(yīng)用計算流體動力學(xué)專業(yè)軟件FLUENT對絞刀在清水中自由旋轉(zhuǎn)的二維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，初步探究絞刀內(nèi)部及周邊的流場分布狀態(tài)。

圖1 絞刀結(jié)構(gòu)示意圖

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計算區(qū)域及網(wǎng)格設(shè)計

取靠近吸口處且垂直于絞刀軸的一截面作為研究對象，絞刀大環(huán)直徑為398mm，裝有6個彎曲刀臂，中間絞刀軸直徑為110mm，水流在泵抽吸壓差作用下從腰子形吸口流出，吸口面積為0.019 6m2，絞刀所在的長方形流體區(qū)域長6m，高1.5m，絞刀處于流體區(qū)域的中心位置，如圖2所示。網(wǎng)格采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過設(shè)置刀臂以及吸口處的網(wǎng)格間距來實現(xiàn)網(wǎng)格的局部加密。由于刀臂順時針方向旋轉(zhuǎn)，刀臂迎著來流方向邊界層逐漸增厚，所以刀臂上網(wǎng)格劃分比較復(fù)雜，網(wǎng)格間距從0.6至2.5變化不等。這也是將流動模擬結(jié)果反饋到網(wǎng)格設(shè)置上不斷調(diào)試的結(jié)果。其他區(qū)域則通過面網(wǎng)格進(jìn)行劃分，越遠(yuǎn)離絞刀的區(qū)域網(wǎng)格越稀疏，整個區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為127 673。

圖2 絞刀計算區(qū)域及網(wǎng)格模型

1.2 控制方程

流體流動都要受物理守恒定律的控制，本文所采用的雷諾平均法N-S方程描述如下：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：ui為流體流速；p為流體壓強(qiáng)；μ為動力黏度；Fi為流體質(zhì)量力

1.3 方程的離散與求解

計算中采用k-ε模型對以上方程進(jìn)行封閉。定常計算應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，非定常計算應(yīng)用RNG k-ε湍流模型[1-3]。采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散。方程對流項采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項和源項均采用二階中心差分格式，控制方程求解采用收斂情況較理想的SIMPLEC算法。

1.4 邊界條件

由于絞刀所處的流體區(qū)域上表面與大氣相通，所以計算中進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，取值為1個大氣壓。出口邊界條件設(shè)置為速度出口，即通過泵吸流量與吸口面積的比值來確定吸口處流體流速的大小?？拷侗圻吔鐓^(qū)域采用壁面函數(shù)法，并將第一個與壁面相鄰的節(jié)點(diǎn)布置在流動充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi)[1]。

1.5 動靜干涉處理

FLUENT軟件描述動靜區(qū)域間相對運(yùn)動的方法主要有多參考系、混合面、滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格等模型，其中多參考系以及混合面模型假定流動為定常，用交界面上的流動參數(shù)平均值在動靜區(qū)域間進(jìn)行參數(shù)傳遞；滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格模型假定流動為非定常，流動參數(shù)不經(jīng)平均直接在兩側(cè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行傳遞，可以真實地反映動靜區(qū)域間的影響與干涉[4]。本文采用多參考系模型進(jìn)行定常流動計算，采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行非定常流動計算。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 定常湍流計算結(jié)果

絞刀內(nèi)部及周邊流場的形成是在泵的抽吸和絞刀的擾動共同作用下形成的，要想得到絞刀流場信息，則必須同時考慮泵吸流量及絞刀轉(zhuǎn)速兩個重要的影響因素。由于兩種因素相互組合會產(chǎn)生多種工況，這就給數(shù)值模擬帶來一定困難，所以，本文引入無量綱量流數(shù)ψ來表示影響因素的組合情況，流數(shù)的定義如下：

式中：Q為泵吸流量，m3/s；ω為絞刀旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；R為絞刀大環(huán)半徑，m。流量及轉(zhuǎn)速組合情況如表1所示。

表1 不同流場的參數(shù)配置表

從表1可以看出，泵的流量由大至小排列，而絞刀的轉(zhuǎn)速則由小至大排列，流數(shù)ψ得到最大的取值范圍為0.306～1.684。由于絞刀流場是由泵抽吸產(chǎn)生的壓差力與絞刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力共同作用形成的，所以在絞刀外形尺寸不發(fā)生變化的前提下，泵的流量與絞刀的轉(zhuǎn)速同時擴(kuò)大或縮小n倍，只要表征兩個影響因素的無量綱量取值相同，由于流動的相似性，流場的速度三角形相似，則計算模擬得到的流場近乎一致。因此，這6組數(shù)據(jù)實則代表了多種參數(shù)配合情況。本文列出無量綱量ψ分別為1.684、0.927、0.306時絞刀內(nèi)部及周邊絕對、相對速度矢量圖。所謂絕對速度場是指觀察者站在地面上所看到的流場，而相對速度場則是觀察者與絞刀一起旋轉(zhuǎn)時所觀察到的流場，能更好地反映水流相對于刀臂的流動狀態(tài)。

當(dāng)ψ=1.684時，如圖3所示，泵吸流量最大，導(dǎo)致流體流速很高，以致在刀臂的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生大量的漩渦，從速度矢量圖上還可以看出流體在絞刀刀臂某個位置發(fā)生分離，此種工況流體紊亂度增加，引起能量損失。當(dāng)ψ=0.306時，如圖4所示，雖然絞刀內(nèi)部產(chǎn)生的漩渦比較少，但是由于絞刀轉(zhuǎn)速很高，而泵吸流量又很小，水流吸入困難。從速度矢量圖可以看出一少部分流體在強(qiáng)大的離心力的作用下產(chǎn)生外溢現(xiàn)象，流線不順暢，這有可能會影響到挖泥船的產(chǎn)量。相比之下，當(dāng)ψ=0.927時，絞刀內(nèi)部及周邊的流場分布較合理。如圖5所示，絞刀周邊的流體被絞刀帶動一起旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)過刀臂有向吸口流動的趨勢，這說明了絞刀對周邊流體具有卷吸的作用。越靠近吸口流速越大，而越遠(yuǎn)離吸口流速則相應(yīng)地變小。絞刀內(nèi)側(cè)出現(xiàn)漩渦區(qū)，而在吸口上方出現(xiàn)兩個高速區(qū)，這是由于流體經(jīng)絞刀流入吸口，受絞刀軸阻擋，在此匯集，狹小的區(qū)域瞬間通過大流量會產(chǎn)生很高的流速，而吸口下部兩個刀臂附近出現(xiàn)的高速區(qū)也同樣是這個原因造成的。由模擬結(jié)果分析可知，不論是過高的絞刀轉(zhuǎn)速還是過大的泵吸流量，在疏浚工程中都是不經(jīng)濟(jì)的，兩者之間可能在轉(zhuǎn)速不太高、流量不太大的情況下存在著最優(yōu)配合。圖6為流數(shù)ψ=0.927工況下壓力云圖，可以看出絞刀內(nèi)部由于流速較大，壓力較絞刀外部而言小，尤其是靠近吸口附近壓力最小，6個旋轉(zhuǎn)刀臂頭部靠外側(cè)部分壓力相對高一些，這是由于流體在泵的作用下向吸口流動，沖撞到刀臂上速度瞬間減小而引起壓力上升。

圖3 ψ=1.684絞刀內(nèi)部及周邊速度矢量圖

圖4 ψ=0.306絞刀內(nèi)部及周邊速度矢量圖

圖5 ψ=0.927絞刀內(nèi)部及周邊速度矢量圖

圖6 ψ=0.927絞刀內(nèi)部及周邊壓力云圖

2.2 非定常湍流計算結(jié)果

圖7為不同時刻絞刀內(nèi)部及周邊流場速度矢量圖。由于流數(shù)ψ=0.927的工況下絞刀流場的流線分布較為順暢，所以選取該工況對絞刀內(nèi)部及周邊的非定常流場進(jìn)行計算，記錄下流場隨時間的變化。該工況下絞刀的轉(zhuǎn)速是40 r/min，絞刀轉(zhuǎn)一圈所用的時間為1.5 s，模擬其中一個刀臂從初始位置轉(zhuǎn)到下一個刀臂位置的流場變化情況，取時間步長為0.01，時間步向前推進(jìn)，同時刀臂附近網(wǎng)格相應(yīng)轉(zhuǎn)動到下一個位置并進(jìn)行新一輪的計算，共計算了1/6周期即0.25 s。從3個時刻的速度矢量圖上可以清楚地觀察到隨著時間的變化，刀臂的位置也相應(yīng)地發(fā)生改變。左半邊刀臂由于迎著水流，流線順暢，流動狀態(tài)較好，而右半邊刀臂對水流有一定的遮擋作用，漩渦都出現(xiàn)在這些刀臂的內(nèi)側(cè)，隨著刀臂的旋轉(zhuǎn)，漩渦也跟隨移動。當(dāng)?shù)侗劢?jīng)過腰子形吸口底部時，內(nèi)側(cè)都會形成高速區(qū)。

圖7 不同時刻絞刀內(nèi)部及周邊流場絕對速度矢量圖

3 結(jié)論

本文基于CFD技術(shù)、FLUENT軟件對絞吸式挖泥船絞刀內(nèi)部及周邊區(qū)域進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格，確定邊界條件以及進(jìn)行定常及非定常湍流數(shù)值模擬計算，并充分考慮動靜部件之間的相互作用，得到了以下結(jié)論：

1）絞刀流場是由泵的抽吸以及絞刀的擾動共同作用形成的，兩者之間如何配合工作會影響到挖泥船的效率以及產(chǎn)量。由模擬結(jié)果分析得知，過大的泵吸流量或過高的絞刀轉(zhuǎn)速對于工程來說都是不經(jīng)濟(jì)的。本文對絞刀二維清水流場進(jìn)行了一些初探，為尋求最優(yōu)工況提供一種方法。

2）模擬結(jié)果得到了絞刀流場的速度矢量圖、壓力云圖，捕捉到了隨著時間變化絞刀流場的變化，為初步認(rèn)識絞刀內(nèi)部及周邊的流場狀態(tài)提供一些參考。當(dāng)然，由于實際工程中絞刀流場的形成還取決于橫移速度、被切削土質(zhì)的特性等，所以利用CFD技術(shù)對絞刀流場的探究還有著更為廣闊的發(fā)展空間。

[1] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：3-22.

[2] 黃劍峰，張立翔，何士華.混流式水輪機(jī)全流道三維定常及非定常流數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（2）：87-93.

[3] Yakhot V，Orzag S A.Renormalization Group Analysis of Turbulence：Basic Theory[J].Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3-11.

[4] 劉全忠，宮汝志，王洪杰，張勇.離心泵隔舌間隙對葉輪流體作用力的影響[J].水泵技術(shù)，2009（4）：26-28.