挖泥船絞刀二維清水流場數值模擬

方園，倪福生

（河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，河海大學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性和經濟性，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，其結構如圖1所示。挖泥船工作時是通過絞刀刀臂旋轉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雜的流場，水流和絞刀旋轉運動無疑是決定流場狀態(tài)的關鍵因素。本文應用計算流體動力學專業(yè)軟件FLUENT對絞刀在清水中自由旋轉的二維流場進行數值模擬，初步探究絞刀內部及周邊的流場分布狀態(tài)。

圖1 絞刀結構示意圖

1 數值模擬方法

1.1 計算區(qū)域及網格設計

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。網格采用適應性較強的非結構網格，通過設置刀臂以及吸口處的網格間距來實現網格的局部加密。由于刀臂順時針方向旋轉，刀臂迎著來流方向邊界層逐漸增厚，所以刀臂上網格劃分比較復雜，網格間距從0.6至2.5變化不等。這也是將流動模擬結果反饋到網格設置上不斷調試的結果。其他區(qū)域則通過面網格進行劃分，越遠離絞刀的區(qū)域網格越稀疏，整個區(qū)域網格總數為127 673。

圖2 絞刀計算區(qū)域及網格模型

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；μ為動力黏度；Fi為流體質量力

1.3 方程的離散與求解

計算中采用k-ε模型對以上方程進行封閉。定常計算應用標準k-ε湍流模型，非定常計算應用RNG k-ε湍流模型[1-3]。采用有限體積法對控制方程進行離散。方程對流項采用二階迎風差分格式，擴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，所以計算中進口邊界條件設置為壓力進口，取值為1個大氣壓。出口邊界條件設置為速度出口，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。靠近刀臂邊界區(qū)域采用壁面函數法，并將第一個與壁面相鄰的節(jié)點布置在流動充分發(fā)展的湍流區(qū)域內[1]。

1.5 動靜干涉處理

FLUENT軟件描述動靜區(qū)域間相對運動的方法主要有多參考系、混合面、滑移網格和動網格等模型，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平均值在動靜區(qū)域間進行參數傳遞；滑移網格和動網格模型假定流動為非定常，流動參數不經平均直接在兩側節(jié)點間進行傳遞，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行定常流動計算，采用滑移網格進行非定常流動計算。

2 計算結果及分析

2.1 定常湍流計算結果

絞刀內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速兩個重要的影響因素。由于兩種因素相互組合會產生多種工況，這就給數值模擬帶來一定困難，所以，本文引入無量綱量流數ψ來表示影響因素的組合情況，流數的定義如下：

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

表1 不同流場的參數配置表

從表1可以看出，泵的流量由大至小排列，而絞刀的轉速則由小至大排列，流數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生的壓差力與絞刀旋轉產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速同時擴大或縮小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組數據實則代表了多種參數配合情況。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ψ=1.684時，如圖3所示，泵吸流量最大，導致流體流速很高，以致在刀臂的內側產生大量的漩渦，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ψ=0.306時，如圖4所示，雖然絞刀內部產生的漩渦比較少，但是由于絞刀轉速很高，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大的離心力的作用下產生外溢現象，流線不順暢，這有可能會影響到挖泥船的產量。相比之下，當ψ=0.927時，絞刀內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，并經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，而越遠離吸口流速則相應地變小。絞刀內側出現漩渦區(qū)，而在吸口上方出現兩個高速區(qū)，這是由于流體經絞刀流入吸口，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生很高的流速，而吸口下部兩個刀臂附近出現的高速區(qū)也同樣是這個原因造成的。由模擬結果分析可知，不論是過高的絞刀轉速還是過大的泵吸流量，在疏浚工程中都是不經濟的，兩者之間可能在轉速不太高、流量不太大的情況下存在著最優(yōu)配合。圖6為流數ψ=0.927工況下壓力云圖，可以看出絞刀內部由于流速較大，壓力較絞刀外部而言小，尤其是靠近吸口附近壓力最小，6個旋轉刀臂頭部靠外側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絞刀內部及周邊速度矢量圖

圖4 ψ=0.306絞刀內部及周邊速度矢量圖

圖5 ψ=0.927絞刀內部及周邊速度矢量圖

圖6 ψ=0.927絞刀內部及周邊壓力云圖

2.2 非定常湍流計算結果

圖7為不同時刻絞刀內部及周邊流場速度矢量圖。由于流數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部及周邊的非定常流場進行計算，記錄下流場隨時間的變化。該工況下絞刀的轉速是40 r/min，絞刀轉一圈所用的時間為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，同時刀臂附近網格相應轉動到下一個位置并進行新一輪的計算，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，漩渦都出現在這些刀臂的內側，隨著刀臂的旋轉，漩渦也跟隨移動。當刀臂經過腰子形吸口底部時，內側都會形成高速區(qū)。

圖7 不同時刻絞刀內部及周邊流場絕對速度矢量圖

3 結論

本文基于CFD技術、FLUENT軟件對絞吸式挖泥船絞刀內部及周邊區(qū)域進行建模，劃分網格，確定邊界條件以及進行定常及非定常湍流數值模擬計算，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量。由模擬結果分析得知，過大的泵吸流量或過高的絞刀轉速對于工程來說都是不經濟的。本文對絞刀二維清水流場進行了一些初探，為尋求最優(yōu)工況提供一種方法。

2）模擬結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，為初步認識絞刀內部及周邊的流場狀態(tài)提供一些參考。當然，由于實際工程中絞刀流場的形成還取決于橫移速度、被切削土質的特性等，所以利用CFD技術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.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：3-22.

[2] 黃劍峰，張立翔，何士華.混流式水輪機全流道三維定常及非定常流數值模擬[J].中國電機工程學報，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，2009（4）：26-28.