趙世發(fā)，李秀，竇培林，陳慧敏，孔令海，施琦

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

目前，觀光旅游景區(qū)、校園湖泊以及住宅小區(qū)的湖泊的漂浮垃圾環(huán)境污染非常嚴(yán)重，而對這些漂浮垃圾的清理主要是人工采用各種機(jī)械器具進(jìn)行清理。市場上的水面垃圾清理裝置主要是打撈船或清掃船，這些機(jī)器體積龐大、造價(jià)昂貴、清理效率不理想，不適合于小型水域的垃圾清理[1]。為此，提出一種漩渦式水上垃圾收集裝置，使用于近海湖泊及魚塘池塘。與現(xiàn)有的垃圾清潔機(jī)器人相比，該水上漩渦式水上垃圾收集裝置結(jié)構(gòu)簡單，采用自主設(shè)計(jì)的小型螺旋槳作為底部的造渦構(gòu)件產(chǎn)生吸力，完成水面的垃圾收集，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)?？紤]到造渦構(gòu)件的形狀及尺寸大小都對產(chǎn)生的漩渦大小有影響，造渦構(gòu)件的葉片數(shù)量和葉片之間的角度差異都會(huì)產(chǎn)生出不同大小的漩渦，從而產(chǎn)生不同的吸力。為驗(yàn)證造渦構(gòu)件的設(shè)計(jì)合理性，采用數(shù)值模擬的方法分析相同角度下葉片數(shù)量對造渦構(gòu)件受力的影響分析及相同葉片數(shù)量下角度對造渦構(gòu)件受力的影響。采用三維建模軟件solidworks建立造渦構(gòu)件模型，導(dǎo)入ANSYS的水動(dòng)力模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分和水動(dòng)力計(jì)算，采用靜力學(xué)模塊對造渦構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，驗(yàn)證該造渦構(gòu)件槳葉的設(shè)計(jì)可行性。

1 設(shè)計(jì)理論

1.1 造渦構(gòu)件的升力線理論

造渦構(gòu)件主要為螺旋槳槳葉，根據(jù)升力線理論，有兩種方法：①在確定葉片的徑向環(huán)量分布的情況下，對螺旋槳的螺距分布進(jìn)行精確求解；②假定已經(jīng)獲得螺距分布數(shù)據(jù)，對環(huán)量分布進(jìn)行精確求解計(jì)算[2]。采用升力線理論的近似法進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對每個(gè)葉片上的水動(dòng)力螺旋角進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。敞水螺旋槳運(yùn)用在該造渦構(gòu)件設(shè)計(jì)中的進(jìn)速為

Va=V(1-w0)

(1)

造渦構(gòu)件的進(jìn)速系數(shù)為

(2)

造渦構(gòu)件的吸力為

(3)

造渦構(gòu)件槳葉的吸力系數(shù)為

(4)

式中：V為渦旋式造渦構(gòu)件在動(dòng)力作用下的上升或者下降的速度；w0為造渦構(gòu)件半徑范圍內(nèi)的有效伴流分?jǐn)?shù)；n為造渦構(gòu)件的轉(zhuǎn)速；D為造渦構(gòu)件的直徑；Pe為有效功率；t為推力減額系數(shù)；ψ為造渦構(gòu)件的軸系傾斜角；Rs為垃圾收集裝置的前進(jìn)阻力；ρ為造渦構(gòu)件所在的流體密度。

1.2 垃圾收集裝置穩(wěn)性影響因素

在水面工作的漩渦式水上垃圾收集裝置應(yīng)具有良好的穩(wěn)性。改進(jìn)浮體在水中良好穩(wěn)性的方法有很多，比如，增大裝置入水靜矩和水面上相對應(yīng)的慣性矩，也可以增大整個(gè)裝置的靜穩(wěn)性臂與初穩(wěn)性高；或者增大吃水和型深，或者降低整個(gè)裝置的重心等[3]。

1.3 漩渦原理

不同的漩渦產(chǎn)生的吸收力度大小不一樣，形成的漩渦半徑大小不一樣。對于理想流體，流體漩渦的切向速度滿足速度矩定理。對于黏性流體而言，漩渦中心區(qū)與漩渦外部的徑向速度及軸向速度也會(huì)相差很大，隨著漩渦半徑的減小，徑向流速的變化規(guī)律是先增大，后減小，在半徑的中點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值。漩渦的速度計(jì)算如下[4]。

(5)

(6)

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 整體裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用建模軟件solidworks進(jìn)行漩渦式水上垃圾收集裝置的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體三維模型見圖1。在文獻(xiàn)[5]介紹的半自動(dòng)滲透式水上垃圾收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出垃圾收集裝置主要以下部的直立螺旋槳作為造渦結(jié)構(gòu)，通過該造渦結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍流體產(chǎn)生漩渦，無論是在層流流場中還是在湍流流場中，該造渦結(jié)構(gòu)都應(yīng)用該原理產(chǎn)生漩渦，從而將水面垃圾帶入垃圾收集筒體，實(shí)現(xiàn)水面漂浮垃圾的收集。該收集裝置上部模塊主要應(yīng)用的是MSP430F149 為主控芯片，實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)闹噶羁刂芠6]。

圖1 漩渦式水上垃圾收集裝置三維模型

2.2 造渦構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

漩渦式水上垃圾收集裝置采用的造渦構(gòu)件為小型推進(jìn)螺旋槳，造渦結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)模型和模型制作實(shí)物見圖2。

圖2 造渦結(jié)構(gòu)的三維模型

采用solidworks建立造渦結(jié)構(gòu)模型，見圖3。

圖3 增加外管架的三維模型

漩渦式水上垃圾收集裝置使用的造渦結(jié)構(gòu)小型推進(jìn)螺旋槳需要做諸多的改進(jìn)，第一代產(chǎn)品的主要參數(shù)見表1。

表1 第一代漩渦式水上垃圾收集裝置造渦構(gòu)件的主要參數(shù)

2.3 上部平臺(tái)設(shè)計(jì)

上部平臺(tái)主要由電氣控制模塊、視覺成像模塊、浮箱、收集平臺(tái)等部件構(gòu)成。其中浮箱主要采用的材料為EPS泡沫板，尺寸大小為200 mm×200 mm×150 mm，該浮箱的主要功能是控制垃圾收集裝置的漂浮，垃圾收集裝置下部設(shè)有配重塊，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)配重塊的高度，調(diào)節(jié)整個(gè)垃圾收集裝置的重心高度。

3 槳葉選型設(shè)計(jì)分析

3.1 相同角度下葉片數(shù)量對造渦構(gòu)件的影響

對造渦構(gòu)件進(jìn)行帶有外管架三維模型的設(shè)計(jì)，建立相關(guān)的數(shù)值模型，將solidworks零件模型另存為step格式，采用fluent水動(dòng)力分析模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行靜止域、旋轉(zhuǎn)域設(shè)置，流體計(jì)算及相關(guān)數(shù)據(jù)分析[7]。湍流入口速度為10 m/s，轉(zhuǎn)速為20 r/s工況下，該造渦結(jié)構(gòu)的在不同葉片數(shù)量下的受到的壓力狀況和相應(yīng)的速度見圖4。

圖4 湍流入口流速為10 m/s，轉(zhuǎn)速為20 r/s的工況條件下造渦構(gòu)件受壓狀況

在該工況下，造渦結(jié)構(gòu)的靜壓力，動(dòng)壓力和總壓力隨著葉片的數(shù)量增加而逐漸增大，在葉片數(shù)為3時(shí)，其數(shù)值為0.06、0.05、0.2 MPa，由于該造渦構(gòu)件在湍流速度為10 m/s的工況下運(yùn)行，處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。所受到的總的平均壓力中，該造渦構(gòu)件的平均壓力處于0.1 MPa，相對于4葉片、5葉片、6葉片的造渦構(gòu)件受到的壓力，3葉片構(gòu)件受到壓力最小。對于最大速度和各方向速度，在各葉片數(shù)量得變化的同時(shí)，最大速度也會(huì)波動(dòng)，葉片數(shù)在3片的時(shí)候最大速度為7.5 m/s，相比于其他葉片數(shù)量產(chǎn)生的速度，該工況下的速度處于理想狀態(tài)，符合造渦構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。

可見，在有外管架的結(jié)構(gòu)下，該造渦構(gòu)件選擇3片槳葉作為產(chǎn)生漩渦的結(jié)構(gòu)最合理。葉片數(shù)為3片的工況下，葉片壓力云圖見圖5。

圖5 相同角度下葉片數(shù)量對造渦構(gòu)件受力的影響及整體結(jié)構(gòu)壓力云圖

如圖5所示，造渦構(gòu)件在外界水流環(huán)境下外管架的前部以及造渦構(gòu)件的葉片外部受到的總壓力以及靜壓力最大，總壓力及靜壓力的變化趨勢相同，這兩類型的壓力由外部到內(nèi)部逐漸減小，由葉片頂部到葉片根部逐漸減小。由于水流的運(yùn)動(dòng)趨勢以及該裝置的豎直工作的特點(diǎn)，造渦構(gòu)件受到的動(dòng)壓力變化趨勢和總壓力、靜壓力的變化趨勢剛好相反，動(dòng)壓力的值由葉片根部向葉片頂端逐漸增大，由外管架前部向外管架的后部逐漸增大。

3.2 相同葉片數(shù)量下角度對造渦構(gòu)件的影響

湍流入口速度為10 m/s，轉(zhuǎn)速為20 r/s工況下，該造渦結(jié)構(gòu)的在葉片數(shù)為3葉片夾角不同角度的狀態(tài)下，觀察該造渦構(gòu)件受到的壓力狀況和產(chǎn)生的速度狀況，見圖6。

圖6 湍流入口流速為10 m/s，轉(zhuǎn)速為20 r/s的工況條件下造渦構(gòu)件的受壓和速度狀況

造渦構(gòu)件的葉片角度的變化范圍為15°到75°。受到的各應(yīng)力在葉片角度為45°的時(shí)候最大，總壓力、靜壓力、動(dòng)壓力以及平均壓力的大小分別為0.4、0.39、0.075、0.29 MPa。整個(gè)造渦構(gòu)件在葉片角度為45°的時(shí)候，受到的各項(xiàng)壓力是最小的。而產(chǎn)生的速度范圍為9～23 m/s，其中在葉片角度為45°時(shí)候產(chǎn)生的速度分別為最大速度19 m/s、X方向的速度10 m/s、Y方向的速度為9 m/s、平均速度為11 m/s。雖然在葉片角度為30°的時(shí)候產(chǎn)生的是最大的，但是在該結(jié)構(gòu)下受到的各種壓力相對于45°結(jié)構(gòu)非常大。

以上結(jié)果表明，選擇葉片角度為45°的造渦構(gòu)件結(jié)構(gòu)最符合工作情況。外管架結(jié)構(gòu)下造渦構(gòu)件葉片角度為45°時(shí)的壓力云圖，見圖7。

圖7 相同葉片數(shù)量下角度對造渦構(gòu)件的受力影響及整體結(jié)構(gòu)壓力云圖

葉片角度為45°的結(jié)構(gòu)，該造渦構(gòu)件的外管架前部受到的總壓力最大，該壓力值從前部向后部逐漸減小，管架的后部受到的總壓力最小。葉片受到的總壓力由中部向頂部和根部逐漸變小。對于受到的靜壓力，外管架內(nèi)部受到的靜壓力最大，由內(nèi)部向外部逐漸減小。對于造渦構(gòu)件受到的動(dòng)壓力，管架前部和后部受到的動(dòng)壓力最小。由于槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉所在處的動(dòng)壓力最大，且由于槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)和水流的相互接觸，槳葉的外部邊緣受到的動(dòng)壓力最大，向槳葉內(nèi)部逐漸減小。

4 槳葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)實(shí)際安裝情況對造渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分別對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速為20、25、30、35、40 r/s等幾個(gè)工況進(jìn)行模擬，觀察該造渦結(jié)構(gòu)的X、Y、Z向的最大等效應(yīng)力和最大變形之間的變化關(guān)系，見圖8、9。

圖8 構(gòu)件應(yīng)力值隨造渦構(gòu)件轉(zhuǎn)速的變化

該造渦構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要采用的是ANSYS軟件中的應(yīng)力分析模塊，對導(dǎo)入導(dǎo)入的三位模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，精細(xì)化網(wǎng)格尺寸，將外管架設(shè)置為固定模塊，給造渦構(gòu)件一定的速度，使得旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)[8-9]。

圖9 各方向位移隨造渦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速的變化

由計(jì)算結(jié)果可知，在造渦構(gòu)件不同速度計(jì)算工況下，等效應(yīng)力、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力隨著造渦構(gòu)件轉(zhuǎn)速的增加，相應(yīng)的變化值從0.002 5 MPa增加到0.025 MPa。其中，最大應(yīng)力的最大值為0.025 MPa，符合造渦構(gòu)建的應(yīng)力強(qiáng)度。其他的最小應(yīng)力及等效應(yīng)力，相應(yīng)的數(shù)值也隨著造渦構(gòu)件的轉(zhuǎn)速增大而增大，在轉(zhuǎn)速為20 r/s的時(shí)候各種應(yīng)力的值最小。所以，在湍流入口流速為10 m/s的工況下，20 r/s的轉(zhuǎn)速的造渦構(gòu)件設(shè)計(jì)符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

該造渦構(gòu)件在轉(zhuǎn)速為20 r/s工況下的應(yīng)力云圖和各個(gè)方向的位移見圖10。

圖10 造渦結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)受力云圖

該造渦構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要出現(xiàn)在槳葉根部，從根部到槳葉頂部結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸減小。結(jié)構(gòu)變形主要出現(xiàn)在造渦構(gòu)件槳葉的頂部，由頂部到根部逐漸減小。由于該造渦構(gòu)件為豎直工作狀態(tài)，所以Z方向的變形最明顯，X、Y方向的變形主要槳葉的頂端，Z方向的變形主要出現(xiàn)在外管架內(nèi)部和外部。

5 結(jié)論

1)以環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等作為設(shè)計(jì)目標(biāo)研發(fā)漩渦式水上垃圾收集裝置的布局合理，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)成本低廉，具有較好的實(shí)用性。將螺旋槳作為制造漩渦的構(gòu)件應(yīng)用于水上漂浮垃圾的收集，具有一定的前瞻性。

2)對于不同的水域環(huán)境，該收集裝置后續(xù)可以安裝不同的系泊裝置以及固定基礎(chǔ)以適應(yīng)相應(yīng)的水域環(huán)境。造渦構(gòu)件可以增設(shè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，將整個(gè)垃圾收集裝置推向智能化。