絞吸式挖泥船絞刀的流場數(shù)值模擬*

周棟彬 熊 庭 張新卓 江 攀

(武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

絞吸式挖泥船在港灣建設(shè)、航道湖泊清淤、填海造地、水域環(huán)保等領(lǐng)域有重要應用，安裝于其橋架前端的絞刀是絞吸式挖泥船的主要工作部件，絞刀旋轉(zhuǎn)時由刀臂帶動刀齒進行破碎切削工作.切削得到的疏浚泥漿的主要成分以淤泥和黏土為主，具有固體顆粒粒度小，分布范圍寬，含水量高的特點[1].絞刀的流場特性對挖掘性能有重要影響，而絞刀的挖掘性能是影響挖泥船挖泥效率的關(guān)鍵因素.在絞刀工作時，刀齒及刀臂和介質(zhì)直接接觸，刀齒安裝于齒座上，當?shù)洱X出現(xiàn)磨損時可即時更換，刀臂則無法更換，而刀臂為絞刀的主要連接及支撐結(jié)構(gòu)，以往的相關(guān)研究對刀臂上的壓力變化情況的關(guān)注較少[2-3]，對絞刀的流場分析一般以轉(zhuǎn)速為主要研究對象且多為簡化的清水流場[4-5]. 鑒于此，文中采用流場仿真軟件fluent建立了絞刀的三維有限元模型，將絞刀工作時的下傾角及入口流速作為研究對象，采用數(shù)值模擬方法研究絞刀在最佳轉(zhuǎn)速工況下，不同下傾角和所處水域流速對絞刀流場的壓力分布和出口泥沙體積分數(shù)的影響，得到減小絞刀所受壓力并提高出口泥沙體積分數(shù)的工況參數(shù).

1 絞刀流場的數(shù)值仿真模型

1.1 絞刀三維造型

絞刀主體結(jié)構(gòu)由大環(huán)、輪轂、刀臂、刀齒組成，輪轂與絞刀軸連接，傳遞力和力矩，刀齒附著在刀臂上，大環(huán)和輪轂把刀臂連接起來，實現(xiàn)連續(xù)切削過程.絞刀的設(shè)計尺寸對切削性能有重要影響，而刀臂的幾何形狀是絞刀設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)[6].數(shù)值仿真中使用的鉸刀三維模型包括六個刀臂，48個刀齒，刀臂由內(nèi)外輪廓曲線及截面生成空間曲面.絞刀尺寸見表1,三維模型見圖1.刀臂的內(nèi)外輪廓曲線為

(1)

(2)

式中：d1為輪轂外徑；Ω1為刀臂外輪廓線包角；Ω2為刀臂內(nèi)輪廓線包角；D為絞刀直徑；k為絞刀形狀系數(shù)，與刀臂外展角有關(guān)；N為土質(zhì)的標準貫入擊數(shù)；H為刀臂外輪廓線頂點高度；h為刀臂內(nèi)輪廓線頂點高度；φ為刀臂安裝角.

表1 絞刀尺寸參數(shù)

1-大環(huán)；2-刀臂；3-刀齒；4-輪轂圖1 絞刀三維造型

1.2 絞刀流場分析的數(shù)學模型

絞吸式挖泥船在進行切削工作時，橋架將絞刀下放至待挖土層，由電機驅(qū)動絞刀對土質(zhì)進行擠壓破碎，并隨著橋架繞定位樁旋轉(zhuǎn)，由于絞刀直徑相比繞定位樁旋轉(zhuǎn)的直徑較小，因此，可以近似于直線橫移運動.土質(zhì)剝離破碎后一部分擴散至周圍水域或者沉積在水底，另一部分在泵吸作用下經(jīng)由吸口進入吸泥管，這部分的土質(zhì)就是挖泥船的最終產(chǎn)量，絞刀的切削原理見圖2.

圖2 絞刀切削原理圖

計算使用的Mixture模型是由離散型和連續(xù)相構(gòu)成的多相流模型，允許相之間互相滲透，它求解的是各相的連續(xù)方程和混合相的動量方程，與拉格朗日模型相比，mixture模型考慮的變量更少，計算更有優(yōu)勢.其控制方程描述如下.

連續(xù)方程：

(3)

式中：ρm為第m相密度，kg/m3；vm為第m相矢量速度；φm為m相的體積分數(shù).

Mixture模型的動量方程為

(4)

Mixture模型的能量方程為

(5)

計算的湍流模型使用k-ε方程：

(6)

(7)

式中：ρ為水的密度；ui為速度矢量；μt為湍流黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍流k的生產(chǎn)項；sk=1.0，sε=1.3，s1ε=1.44，s2ε=1.92.

2 絞刀流場數(shù)值模擬

2.1 流場計算域的設(shè)置和網(wǎng)格劃分

計算中使用的鉸刀直徑為1 750 mm、高度為1 125 mm，在geometry中將鉸刀所在流場域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域.旋轉(zhuǎn)域設(shè)置為包圍鉸刀的圓柱，直徑1.85 m、高1.325 m，實際施工中下傾角的一般大于20°[7]，因此，將下傾角分別設(shè)為20°，25°，30°，35°，40°；靜止域設(shè)置為長方體，長5.85 m、寬5.325 m、高4.15 m，設(shè)置完成后使用布爾運算去除固體設(shè)備.絞刀計算域設(shè)置見圖3.

圖3 絞刀流場計算域的劃分

鉸刀在旋轉(zhuǎn)過程中，越靠近鉸刀附近的流場所受影響越大，網(wǎng)格需進行局部加密，對旋轉(zhuǎn)域及旋轉(zhuǎn)域和靜止域交界面上的網(wǎng)格進行加密，對靜止域的網(wǎng)格進行適當?shù)南∈杌?在mesh中不同下傾角的劃分網(wǎng)格數(shù)分別為：20°網(wǎng)格數(shù)2 571 225，25°網(wǎng)格數(shù)2 573 376,30°網(wǎng)格數(shù)2 573 340，35°網(wǎng)格數(shù)2 574 386，40°網(wǎng)格數(shù)2 579 742.經(jīng)過網(wǎng)格修改和優(yōu)化，計算中99%以上的網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上，符合計算要求.

2.2 邊界條件的設(shè)定

將5組下傾角不同的mesh文件分別導入fluent中，對模型進行邊界條件的設(shè)置.

1) 材料的設(shè)置 計算中液固兩相分別為水和泥沙顆粒，具體參數(shù)設(shè)置見表2.

2) 邊界的設(shè)置 將入口設(shè)置為速度入口，泥沙和水的流入速度分別取2，5，8 m/s，方向垂直于入口面，出口設(shè)置為自由出口.

3) 壁面的設(shè)置 將絞刀軸與靜止域的接觸面設(shè)置為無滑移壁面，其他壁面設(shè)置為開放式壁面.

4) 旋轉(zhuǎn)域的設(shè)置 有研究顯示，泥沙吸入百分比及顆粒分布均勻度隨絞刀轉(zhuǎn)速呈先升后降的現(xiàn)象，合理轉(zhuǎn)速范圍在30～40 r/min之間[8-9]，計算中設(shè)置旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速為35 r/min,方向為順時針方向旋轉(zhuǎn).

5) 模型采用mixture模型，湍流方程采用k-ε方程[10-11].

表2 泥沙參數(shù)

3 結(jié)果分析

下傾角α分別為20°，30°，40°時絞刀刀臂的壓力分布云圖見圖4，由圖4可知，絞刀上最大壓力的位置在刀臂上接近輪轂的地方，此處是刀臂延輪廓線發(fā)展時外徑最大的位置，也是刀臂與泥沙接觸最充分的地方，比較三種下傾角的壓力云圖發(fā)現(xiàn)，隨著下傾角的增大，最大壓力的范圍向大環(huán)處發(fā)展，因此角度越小最大壓力的擴散范圍也就越小.

圖4 不同下傾角刀臂壓力云圖

為了分析不同工況組合下絞刀上的壓力變化情況，在流場分析后處理中從絞刀上取三個位置進行分析，分別是絞刀最大壓力處、刀臂與輪轂連接處、刀臂與大環(huán)連接處.這三處是絞刀的主要承力處及結(jié)構(gòu)支撐點，對絞刀的結(jié)構(gòu)強度有重要影響，將這三個點標記為①，②，③，三點的具體位置見圖5.

圖5 壓力分析所取三點位置

在絞刀流場分析的后處理中不同下傾角、不同進口速度工況下的絞刀上三處位置壓強的變化情況見圖6.

圖6 不同入口速度下絞刀壓力隨下傾角變化趨勢

絞刀上的壓力變化對絞刀的使用壽命和結(jié)構(gòu)強度有較大影響，進而影響絞刀的切削性能.由圖6可知，當下傾角較小時，絞刀上的壓力較大，隨著下傾角增加，壓力持續(xù)降低，在角度為35°時壓力達到最小值，繼續(xù)增大下傾角，壓力反而出現(xiàn)增大的情況.當下傾角一定時，隨著流體的入口速度增加，絞刀上的壓力會增大，且幅度很明顯.

因此，流體的入口速度對絞刀壓力的影響比下傾角大，入口速度越小，鉸刀所處流域就越穩(wěn)定，泥沙對絞刀的沖擊越小，絞刀所承受的載荷也就越小.下傾角過小時，絞刀所承受的載荷很大，且此時的挖泥深度很小，對實際工況及地形的要求比較嚴格；下傾角過大時，由于吸泥管布置于橋架內(nèi)，吸管的下傾角也會很大，此時泥沙比小角度更易沉降，使泥泵的功耗增加，導致工作效率降低.綜合分析可以得出，在絞吸式挖泥船實際施工過程中，需要在較平緩的海況中設(shè)置合理的下傾角來降低絞刀所承受的載荷，以優(yōu)化其挖掘受力性能.

不同下傾角出口泥沙的平均體積分數(shù)變化情況見圖7.由圖7可知，隨著下傾角的增大，出口泥沙的平均體積分數(shù)逐漸增大，當下傾角增加到35°時平均體積分數(shù)達到較大值，角度繼續(xù)增大，平均體積分數(shù)會繼續(xù)增加，但是幅度趨于平穩(wěn)，且隨著入口流速的增大，出口泥沙平均體積分數(shù)逐漸降低，在入口流速為2 m/s時出口泥沙平均體積分數(shù)最大且隨著下傾角的變化波動較大，因此，挖泥船施工時所處流域越穩(wěn)定，產(chǎn)量就會越大，挖掘效率也就越高.

圖7 出口泥沙平均體積分數(shù)

4 結(jié) 論

1) 在絞刀流場的數(shù)值模擬過程中，旋轉(zhuǎn)域尺寸小，是流場分析的主要研究對象，網(wǎng)格需加密.對于10%以下體積分數(shù)的泥沙顆粒，適合使用雙歐拉模型計算，而對于較高體積分數(shù)，應采用mixture模型.

2) 絞刀刀臂為絞刀的連接及支撐結(jié)構(gòu)，其載荷變化對絞刀的受力性能影響較大，當絞刀下傾角在20°～40°范圍內(nèi)時，刀臂的主要連接和支撐處的壓力及最大壓力隨下傾角的增加有先增后降的趨勢，且當入口流速在2～8 m/s范圍內(nèi)時，隨著入口流速的增大，壓力升高幅度很大，最大壓力的范圍也隨下傾角的增大向大環(huán)擴散；出口泥沙體積分數(shù)會隨著下傾角的增大而增大，且隨著入口流速的增大而降低，因此，合適的下傾角及入口流速較低的工況會有利改善絞刀的受力性能，并提高工作效率.

3) 影響絞刀壓力及速度分布的影響因素除了下傾角和入口流速，還有絞刀的橫移速度、前進步距、泥沙粒徑范圍等因素，本文的數(shù)值模擬簡化了工況，忽略了這些因素的影響，進一步的研究需考慮這些因素的影響.