陳志堅(jiān)，朱漢華，范世東，熊　庭

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

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泥漿質(zhì)量濃度對挖泥船泥泵工況的影響

陳志堅(jiān)，朱漢華，范世東，熊庭

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對疏浚作業(yè)中由于泥泵劇烈振動(dòng)引起蝸殼變形和噪聲的問題，以某型絞吸挖泥船上的泥泵為研究對象，利用Pro/E軟件建立泥泵的三維模型，采用有限元法進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，泥泵的最大應(yīng)力位于靠近隔舌的葉輪出口壁面處，泥泵振動(dòng)與泥漿質(zhì)量濃度有關(guān)，振幅變化與振動(dòng)階次有關(guān)。

絞吸挖泥船；泥漿質(zhì)量濃度；泥泵應(yīng)力；泥泵振動(dòng)

絞吸挖泥船在航道疏浚、圍海吹填等建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。泥泵作為絞吸挖泥船的核心部件，其高效、穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到整船的工作效率和疏浚成本，但在泵送泥漿的過程中，泵體經(jīng)常出現(xiàn)變形和劇烈振動(dòng)的情況，由此可能導(dǎo)致與泥泵相連的管道或閥件發(fā)生松動(dòng)或損壞，這對挖泥船工作的可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[1-2]。針對泥泵運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，以往的研究多集中于內(nèi)部流動(dòng)特性和系統(tǒng)的振動(dòng)特性[3-8]。然而在挖泥船疏浚施工時(shí)，由于疏浚環(huán)境復(fù)雜且工況參數(shù)多變，泥漿質(zhì)量濃度經(jīng)常發(fā)生較大范圍的變化，因此，泥漿質(zhì)量濃度對泥泵工況影響的研究是亟待解決的。為此，采用流-固耦合的有限元法對泥漿質(zhì)量濃度變化時(shí)泥泵的應(yīng)力和振動(dòng)進(jìn)行仿真分析。

1　泥泵仿真模擬

1.1泥泵模型的基本參數(shù)

以長江航道局的某型非自航絞吸式挖泥船為實(shí)例進(jìn)行建模，該船為主力疏浚船型，適于淤泥、粉土和砂質(zhì)土等工作土質(zhì)的疏浚，其主泥泵的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

復(fù)雜的疏浚環(huán)境和多變的工況參數(shù)導(dǎo)致了泥泵內(nèi)部的泥漿流動(dòng)非常復(fù)雜，三維模型的建立、劃分的網(wǎng)格類型及數(shù)目、湍流模型的選擇、多相流模型的選擇和邊界條件的設(shè)定都將對仿真結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，需要根據(jù)以上因素來確定正確的數(shù)值模擬方案。

表1　泥泵主要技術(shù)參數(shù)表

1.2泥泵三維模型建立和有限元網(wǎng)格劃分

泥泵流體域包括進(jìn)口段、出口段及泵腔，根據(jù)表1中參數(shù)使用Pro/E建立泥泵的三維模型，運(yùn)用ICEM對泥泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。以不同網(wǎng)格數(shù)下進(jìn)出口的壓降作為依據(jù)，驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，最終修正后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為185 650個(gè)，然后將已劃分的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到CFX軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

1.3數(shù)值模型的選取

在實(shí)際疏浚作業(yè)時(shí)，泵送的泥漿一般處于湍流流態(tài)。泥漿流動(dòng)的基本方程主要基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒3種方程；另外泥漿由泥沙和水混合而成，因此還要遵守組分守恒定律。用CFX軟件進(jìn)行模擬仿真時(shí)，采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算，k-ωSST(shear stress transport)湍流模型是F R Menter在k-ω模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能夠?qū)ψ杂杉羟辛鳌⒏呃字Z數(shù)時(shí)的近壁區(qū)流動(dòng)、有限雷諾數(shù)的近壁區(qū)流動(dòng)、包含層流區(qū)和轉(zhuǎn)捩的流動(dòng)等多種狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算。由于泵送的泥漿處于湍流，一般對瞬態(tài)N-S方程做時(shí)間平均處理，并且補(bǔ)充反映湍流特性的湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程。

1.4邊界條件的設(shè)定

假設(shè)流體的溫度不隨時(shí)間的變化而變化，且不考慮黏溫效應(yīng)；為了使計(jì)算具有很好的收斂性，在泥泵吸泥管口采用速度邊界條件，排泥管口采用壓力邊界條件；在壁面采用對數(shù)分布規(guī)律的壁面函數(shù)[9]；泥漿質(zhì)量濃度取值為10%、20%、30%、40%、50%；泥泵內(nèi)流場為湍流。

2　泥泵仿真結(jié)果分析

根據(jù)建立以上的三維仿真模型，采用流-固耦合的有限元法對泥漿質(zhì)量濃度對泥泵工況的影響進(jìn)行仿真分析。

2.1泥漿質(zhì)量濃度變化對泥泵應(yīng)力的影響分析

根據(jù)以上計(jì)算模型并通過CFX流體分析軟件來計(jì)算泥泵在不同泥漿質(zhì)量濃度時(shí)的應(yīng)力分布特性，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2　泥漿對泥泵的應(yīng)力特性(應(yīng)力單位：MPa)

由圖2可見，泥泵各部位的應(yīng)力隨著泥漿質(zhì)量濃度的增大而逐漸增大。原因是泥泵的葉輪對泥漿有增壓作用，出口處的最大壓力對泥漿的輸出提供了足夠的動(dòng)力；泥泵的最大應(yīng)力位于靠近隔舌的葉輪出口壁面處，其位置不隨泥漿質(zhì)量濃度變化而變化，原因是靠近隔舌的葉輪出口位置與蝸殼之間存在回流，由此引發(fā)了漩渦；而最小應(yīng)力的位置是變化的，隨蝸殼內(nèi)總壓的周期性波動(dòng)而變化。

2.2泥漿質(zhì)量濃度變化對泥泵振動(dòng)頻率的影響

將受到的應(yīng)力導(dǎo)入模態(tài)分析模塊中進(jìn)行泥泵的振動(dòng)分析，計(jì)算結(jié)果見圖3、4。因?yàn)槟啾玫牡碗A振動(dòng)對泥泵特性的影響明顯，所以本文只給出了低階振動(dòng)區(qū)，即前6階振動(dòng)的頻率和最大幅值。

圖3　泥漿質(zhì)量濃度對泥泵振動(dòng)頻率的影響

圖4　泥漿質(zhì)量濃度對泥泵振幅的影響

由圖3可見，泥泵振動(dòng)與泥漿質(zhì)量濃度相關(guān)，振動(dòng)頻率分兩次躍升，分別在第2階和第6階；，振動(dòng)頻率隨著泥漿質(zhì)量濃度的升高而逐漸增大，相鄰兩階振動(dòng)頻率之差相近；在正常工作情況下，泥泵的振動(dòng)頻率大致穩(wěn)定在10～50 Hz之間。因此，為了減小泥泵振動(dòng)所造成的潛在危害，要定期對泥泵的固定端及易松動(dòng)部件進(jìn)行檢查，避免不必要的危險(xiǎn)發(fā)生[10]。

2.3泥漿質(zhì)量濃度對泥泵振幅的影響

為了研究泥泵各個(gè)固有振動(dòng)頻率與對應(yīng)振幅的關(guān)系，將不同泥漿質(zhì)量濃度下每個(gè)階次的最大振幅進(jìn)行對比分析。

由圖4可見，振幅變化與振動(dòng)階次有關(guān)，第1階振動(dòng)的振幅變化很小，且于其他階次的振動(dòng)振幅相比是最小的，此時(shí)泥泵的振動(dòng)是最穩(wěn)定的；隨著泥漿質(zhì)量濃度的逐漸增大，其他階次振動(dòng)振幅的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這為避免泥泵產(chǎn)生過大的振動(dòng)提供了理論分析依據(jù)。

綜合圖3、4，泥漿質(zhì)量濃度在40%左右和振動(dòng)頻率階次在第5階的時(shí)候，泥泵振動(dòng)較為嚴(yán)重，因此針對該船泥泵來講，疏浚施工時(shí)應(yīng)該避開輸送40%濃度的泥漿和第5階的激勵(lì)振動(dòng)頻率，這樣可確保該泥泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3　結(jié)論

1)泥泵應(yīng)力與泥漿質(zhì)量濃度成正相關(guān)。泥泵各處應(yīng)力隨著泥漿質(zhì)量濃度的增大而逐漸增大，最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在靠近隔舌的葉輪出口位置壁面處，其位置不隨泥漿質(zhì)量濃度改變而發(fā)生變化；最小應(yīng)力的位置是變化的，因蝸殼內(nèi)總壓的周期性波動(dòng)而發(fā)生變化。

2)泥泵振動(dòng)受泥漿質(zhì)量濃度影響明顯。泥泵各階次的振動(dòng)頻率隨著泥漿質(zhì)量濃度的升高而逐漸增大，相鄰階次振動(dòng)頻率相差較小；低階振型下泥漿質(zhì)量濃度變化對泥泵振幅影響較小，而在高階振型下隨泥漿質(zhì)量濃度的逐漸增大，振幅呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3)針對該型泥泵，疏浚施工時(shí)應(yīng)該避開輸送40%濃度的泥漿和第5階的激勵(lì)振動(dòng)頻率，且泵送泥漿質(zhì)量濃度較高時(shí)，應(yīng)著重對靠近隔舌位置的壁面進(jìn)行維護(hù)，防止此處出現(xiàn)較大的變形或裂紋。

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On the Influence of Mud Concentration to Pump Concentration of Dredger

CHEN Zhi-jian, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, XIONG Ting

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

For the problem of the pump volute appears deformed and noise problems caused by strong vibration when dredging, taking a mud pump of certain dredger as the research object. The Pro/E software is used to establish the three-dimensional model of mud pump. The finite element method is adopted to analyze the strength and vibration characteristics of the mud pump. The results show that the position of highest stress is located in the wall of near impeller outlet; the vibration of mud pump is related to the mud concentration, and the amplitude changes is connect with the vibration order.

dredger; mud concentration; pump stress; pump vibration

2016-01-21

2016-04-18

國家科學(xué)自然基金(51179144)

陳志堅(jiān)(1990—)，男，碩士生

U674.31

A

1671-7953(2016)04-0170-03

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.040

研究方向:疏浚工程與管道輸送技術(shù)

E-mail:czjian_whut@163.com