1、 年 月水运工程 第 期 总第 期 耙腔流场分析与结构优化陈 浩 孙守胜 李章超 王晓萌 张路生(.中交天津航道局有限公司 天津.天津市疏浚工程技术企业重点实验室 天津 .中交(天津)疏浚工程有限公司 天津)摘要:针对耙吸挖泥船的耙头在挖掘黏土时 其内部流场情况不明晰的问题 本文对耙腔内部流场进行了仿真计算、分析及优化 采用计算流体动力学()值模拟计算技术 分析新老耙头的总压差、静压差及截面流速的变化情况 得出设置反弧形导流板后 腔体内部漩涡区域减少 能量损失降低 清水流动性能提高 结果表明:新耙头内部设置流线型腔体 可使流动平顺 输送阻力降低 截面流速趋于合理 其各项性能均优于老耙头关键词:
2、耙头 耙腔 流场 导流板中图分类号:文献标志码:文章编号:().收稿日期:作者简介:陈浩()男 硕士 高级工程师 从事疏浚相关技术及设备的研究 黏土耙头计算模型中交天津航道局有限公司独立自主设计了两款黏土耙头 建立了符合计算要求的耙腔仿真模型 为降低模型计算量 一些细节做了简化处理耙腔流场计算简化模型见图 假设耙头吸口与泥土接触 防磨块压在泥土上 流体仅从耙齿后方的空隙进入耙腔 在耙腔进口区域的外部水体设置一个较大的自由出流边界见图 区域 模拟耙腔外部水体 区域为耙腔中活动罩内部腔体 按实际结构尺寸进行建模 部分内部结构简化处理 区域为反弧板区域 同时增加了内部封闭腔体 此处可以作为格栅防堵喷
3、嘴的水箱使用 区域为耙腔固定体内部腔体 按实际结构尺寸进行建模 区域为耙腔出口延长区域 保证流体出流时的稳定流态 水 运 工 程 年图 黏土耙头流场仿真示意 三维建模与网格划分.三维建模建立耙腔外部水体和耙腔三维模型 真实模拟耙腔内流体 从腔体外部进入耙腔到流出的整个过程 并对部分结构进行简化处理 外部水体区域为 耙头出口外流场区域做加长处理以减小数值模拟误差 长度为 .网格划分通过流体仿真计算软件 对耙腔内部流场三维模型进行非结构网格划分 生成老耙头的网格总数量为 万个 新耙头网格总数量为 万个 加装导流板的三维模型划分网格后老耙头网格总数为 万个 新耙头网格总数为 万个 见图 图 耙头腔体
4、内的流体网格划分.数值模拟计算任何流体问题都要满足质量守恒方程 即连续性方程 在直角坐标系中的微分形式如下:()()()z()同样任何流体系统必须满足动量守恒方程在直角坐标系中的微分形式 即 方程如下:zzzzzzzzzzzz()式中:为时间变量 为流体的密度、z为质量力 为法向应力(压力)、为速度分量、z为空间坐标 为湍流系数 为耗散率 由于该计算中不涉及热传导的问题所以不涉及热导方程 方程是描述流体运动的方程 它和流体的连续性方程一起构成流体流动的基本控制方程 模型是一种湍流模型 是工程流体计算中 第 期陈 浩 等:耙腔流场分析与结构优化的主要工具 是实验现象中的半经验公式 由于该经验公式
5、在计算强漩流、弯曲壁面或弯曲流线流动时 会产生一定的失真 为此 提出了修正方案 本模型中采用的是 模型如下:()()()()()()()式中:为平均速度梯度引起的湍动能产生项为浮力引起的湍动能 的产生项 为可压缩湍流中脉动扩张的贡献、和 为经验常数 和 为用户定义的源项 对于耙头 数值解法采用 解法 由于采用诸多假设和简化 所以二阶精度足以满足计算要求 各离散项均采用二阶精度 老耙头计算结果与分析.边界条件及计算模型整个流场的介质为水 压力为 湍流模型为 模型 入口设置为自由出流 给定的压强值为基于速度垂直方向分量的总压 耙头固定体出口处的圆形端面设定为速度边界 出口设置为标准速度出口 速度设
6、置为 管径为 流量约 万 其它壁面全部设定为墙面 为无滑移壁面耙腔内流动的介质设定为单一介质清水 通过清水流场即可反映耙腔内部结构线型的优劣在不考虑泥土影响的情况下 该流体属于不可压缩流体 即密度不随时间变化而变化 另外 耙头清水流场模拟计算属于大空间的模拟计算 重点在非边界层的区域 所以边界层可以忽略 求解格式设置为高级求解模式()最大迭代设置 步 收敛最大残差值设置为 计算到相应步数时收敛 计算结束 选取典型截面分析计算结果 见图 图 典型截面选取.老耙头加装导流板前后计算结果由表 可知 从耙头进口处到出口处 其进口和出口对应截面 和 老耙头总压力差 老 耙 头 加 装 导 流 板 后 总
7、 压 力 差 总压力损失降低了 表 老耙头加装导流板前后各截面总压力名称总压力进口截面 截面 截面 截面 出口老耙头未加导流板 老耙头加装导流板 由表 可知 从耙头进口处到出口处 其进口和出口对应截面 和 老耙头静压力差 老耙头加装导流板后静压力差 静压力损失降低了 表 老耙头加装导流板前后各截面静压力名称静压力进口截面 截面 截面 截面 出口老耙头未加导流板 老耙头加装导流板 由表 可知 从耙头进口处到出口处 其进口和出口对应截面 和 老耙头加装导流板后各个截面的速度略有降低 但不影响介质的输送水 运 工 程 年表 老耙头加装导流板前后各截面速度名称速度()进口截面 截面 截面 截面 出口老
8、耙头未加导流板 老耙头加装导流板 .老耙头加装导流板前后流场对比选取 个基准剖面进行老耙头加装导流板前后的流场特性对比 得出加装导流板对耙腔整体流动性能更加有利 基准剖面见图 图 耙头 和 剖面通过图 可知 不加反弧形导流板时 活动罩圆弧板处存在漩涡区 且漩涡区后存在大量约 左右的低速区域流速 加装反弧形导流板后 漩涡区域基本消失 耙腔内流动平顺 固定体内流速较均匀图 剖面速度向量通过图 可知 加反弧形导流板前 活动罩圆弧板处存在 个漩涡区域 加装反弧形导流板后 漩涡区域消失 耙腔流动平顺图 剖面速度向量通过典型截面的速度向量图对比 发现集中在活动罩圆弧板处的耙腔内有漩涡区 由于漩涡区内流体互
9、相碰撞 进而加大了能量损失 增加耙腔内部输送阻力 影响内部流动介质的高效输送 因此 当进行耙头设计时 在活动罩圆弧板处加装反弧形导流板可以改善耙腔内部介质的流动状态 降低能量损失 提高输送效率 新耙头计算结果及分析.边界条件及计算模型流场内介质为水 压力为 湍流模型为 模型 入口设置为自由出流 给定的 第 期陈 浩 等:耙腔流场分析与结构优化压强值为基于速度垂直方向分量的总压力 在耙头固定体出口处的圆形端面设定为速度边界 出口设置为标准速度出口 其它无滑移壁面设定为墙面迭代设置 步 收敛最大残差值设置为 计算到 步时收敛 计算结束 加装导流板之后 计算到 步时收敛 计算结束.新耙头加装导流板前
10、后计算结果由表 可知 从耙头进口到出口处 新耙头总压力差 新耙头加装导流板后总压力差 此处总压差的略微提高是由于加装导流板后 该区域局部流速提高导致一些能量的损失 但总体影响不大 且与老耙头相比新耙头总压力差均有所下降表 新耙头加装导流板前后各截面总压力名称总压力进口截面 截面 截面 截面 出口新耙头未加导流板 新耙头加装导流板 由表 可知 从耙头进口到出口处 新耙头静压力差 新耙头加装导流板后静压力差 静压力损失略微提高 但对耙头整体流动性无较大影响表 新耙头加装导流板前后各截面静压力名称静压力进口截面 截面 截面 截面 出口新耙头未加导流板 新耙头加装导流板 由表 可知 从耙头进口到出口处
11、 新耙头加装导流板后截面 和 速度略有增加 截面 和 速度略有降低 但相对耙头整体流速来说 相同截面的流速变化较小 对于介质的流动影响可以忽略不计表 新耙头加装导流板前后各截面速度名称速度()进口截面 截面 截面 截面 出口新耙头未加导流板 新耙头加装导流板 .新耙头加装导流板前后流场对比由图 可知 不加反弧形导流板前 漩涡区域很大 且漩涡区后存在大量 左右低速区域 加装反弧形导流板后 漩涡区域基本消失耙腔内流动平顺 固定体内流速较均匀图 剖面速度向量由图 可知 加反弧形导流板后 漩涡区域在 截面略有增加 但基于计算结果 漩涡区的略微增加并未带来更多能量损失 主要原因为水 运 工 程 年 截面
12、的漩涡区域在增加导流板后基本消失因此设置导流板是极有必要的图 剖面速度向量通过新、老耙头对比发现 在加装导流板后新耙头流场的各项性能均优于老耙头 相较于老耙头 新耙头总的压力损失降低幅度明显 静压差略有降低 各截面流速趋于合理 流速波动范围减小 固定体内部流动性更趋于平稳 结论)耙腔内设置为流线型腔体 新耙头各项性能均优于老耙头 有利于降低耙头输送阻力 提高挖掘效率)耙腔内活动罩的圆弧板处设置反弧形导流板 可以明显改善泥浆在此处的流动状态 减少漩涡区的产生 降低能量损失 提高泥浆的输送效率)采用流场仿真软件可以优化耙腔内部线型提高耙头设计效率参考文献:孙守胜 肖博 林森 等.大型耙吸挖泥船系列
13、化耙头研发与应用 .中国港湾建设 .郑金龙 倪崇本 何炎平.耙吸挖泥船耙头内流场分析与优化 .水运工程 .陈浩 孙守胜 郭志勇.耙头高压冲水喷嘴流场数值模拟及分析 .水运工程 .李章超 孙守胜 杨建华 等.基于 方法的新型密实砂耙头内固液两相流动特性研究 中国交通建设股份有限公司 年现场技术交流论文集 北京 中国交通建设股份有限公司 .洪国军 王健 林风.自航耙吸挖泥船耙头模型试验研究 .中国港湾建设 .(本文编辑 赵娟)(上接第 页)包晓东.浅谈混凝土薄膜养护工艺 .青年文学家 .缪昌文.丹麦预制构件成型工艺及养护工艺介绍 .混凝土与水泥制品 .荣艳群.蒸汽养护技术在严寒地区混凝土预制构件生产中的应用 .福建水力发电 .罗卫华 邹团结 陈康军 等.混凝土智能蒸汽养护系统在桥梁预制构件中的应用研究 .公路工程 .(本文编辑 王璁)
