耙吸船消能箱对装舱影响的数值计算

朱东江，徐立群，倪福生

（1．河海大学机电工程学院，江苏 常州213022；2．河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 常州213022）

0 引言

疏浚业在港口、航道疏浚及治理、江河湖库治理、水利设施、国防工程建设、环境保护疏浚和吹填造地等方面发挥着越来越重要的作用。在大规模陆域形成工程及临海工业园区的建设中，为避免挖泥船的施工，影响了其他船舶的正常通航，耙吸挖泥船被广泛采用。目前，耙吸挖泥船的研究取得巨大进展，但是在疏浚高效化方面至今还缺少大量研究。随着各工程规模的扩大，疏浚船舶日趋大型化，单船产量是目前疏浚市场的竞争优势之一。其中，耙吸挖泥船的装舱效率是最受重视的指标，而装舱效率有许多不确定的因素，通过实验研究仍有一定困难，而随着计算技术的发展，数值模拟手段逐渐成熟［1-2］。数值模型可以模拟水流在泥舱内具体的流动情况，从而对装舱效果进行分析。

耙吸挖泥船的卧式消能箱得到普遍使用，此形式结构为管状或矩形截面，可以有效分流又能均衡装舱，是一种理想的消能方式［3］。系统主要采用Fluent软件研究消能箱在不同位置工作时，对于溢流过程的影响，为日后设计和建造耙吸挖泥船装舱消能系统提供必要的参考和理论依据。

1 溢流损失与装舱过程

耙吸船在挖泥装舱过程中的溢流阶段，由于耙头吸入的泥沙不能在泥舱内完全沉淀，有一部分会随溢流水排至舷外，称为溢流损失［4］。装舱过程分为3个阶段：

a．第1阶段为耙吸船开始挖泥装舱，一直到溢流口位置。此时无溢流发生，可以认为装入泥舱内的泥沙全部沉积。

b．第2阶段为恒体积装舱，装舱到溢流口后就以最大舱容装舱，即让溢流口在最高位置不变，装至船舶的最大吃水。在此阶段开始出现溢流损失，其程度随挖掘土质不同而不同；但随着舱底泥沙沉积层高度增加，泥浆水平流速有所增加，导致溢流损失有增加的趋势。

c．第3阶段为恒排水量装舱，船舶装至最大吃水后为提高泥沙的装载率，需不断降低溢流口进行装舱。在此阶段因泥舱内浓度和流量趋于平稳，所以溢流损失增加幅度不大。

2 装舱仿真模拟

2．1 模型建立与网格化分

泥舱模型长为77 m，宽为22 m，消能箱中心高度为10．2 m，消能箱出口高度为1 m，溢流桶高为11 m，溢流高度为11．5 m。如图1所示。其中，截面B为泥舱的对称面，截面A为过溢流桶轴线且平行与截面B的截面。截面C为Z坐标11 m的横截面，截面D为Z坐标为8 m的横截面。

利用Gambit对计算区域非结构化划分网格，计算区域有570 702个网格单元，网格为四面体网格。

图1 泥舱模型

2．2 控制方程

系统所研究多相流中的沙子体积分数超出10%，故数值模拟采用欧拉模型［5］。模型满足质量守恒定律、动量守恒定律，其控制方程包括连续性方程、动量方程。建立了三维、非稳态、不可压缩流体的两相流模型，不考虑温度的变化，采用连续介质模型。把颗粒作为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质，两相均采用在Euler坐标系中宏观连续介质原理中的质量和动量守恒方程进行描述，采用标准k-ε模型。其中，湍动能k方程和耗散率ε方程为［6］：

Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb为用于浮力影响引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。模型常数C1ε，C2ε，Cμ，σk，σz的取值分别为：C1ε＝1．44，C2ε＝1．92，Cμ＝0．09，σk＝1．0，σz＝1．3。2．3 边界条件的确定

a．入口边界。消能箱入口选择速度入口，假定流速均匀分布。进舱沙水混合物比例一定，单个入口速度为2 m／s，其中细沙的体积分数为0．25。

b．出口边界。溢流桶出口采用压力出口。

c．固体壁面边界条件。泥舱边壁、底部，溢流筒表面均为无滑移固壁条件，采用标准壁面函数法。

d．自由面边界。泥舱上表面为自由水面，自由水面采用刚盖假定和无剪切力假定。

2．4 求解器的设置

湍流模型选用标准k-ε双方程模型，采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合，采用非稳态计算。

3 计算结果与分析

分别计算消能箱1与消能箱2单独工作时，装舱的情况。在初始时刻，假定泥舱内水位为11．5 m，此时舱内装满水，预装2．5 m高的沙床，为装舱第1阶段。这样做既节省了自由液面的计算时间，也比假定舱内装满水更接近于实际情况。当泥沙溢流损失达到进口泥沙的85%左右，计算结束。

由图2可知，消能箱1工作时，溢流桶周围的水流速度场没有太大波动，受消能箱影响较小，在消能箱进口周围流速为0．5 m／s左右。如图3所示，溢流桶周围受到消能箱水流影响，水流速度相比图2有明显上升，消能箱附近水速在0．5 m／s左右。可以看出，消能箱进料入口在溢流筒附近时，对溢流筒附近水流速度产生较大的影响。

图2 消能箱1工作，截面A，B水的速度

图3 消能箱2工作，截面A，B水的速度

从图4，图5可知，横截面C与横截面D的矢量图对比，可知处于泥舱溢流筒上侧（横截面C）的水流速度要高于下方（横截面D）的水流速度。在泥舱溢流筒上方时，溢流筒周围的流速要高于下方。在图4中，在消能箱入口附近水流对溢流筒周围流场没有太大影响，由图5可知，在消能箱附近与溢流筒间形成漩涡，入口水流直接影响溢流筒周围流场。

图4 消能箱1工作，截面C，D水的速度矢量

图5 消能箱2工作，截面C，D水的速度矢量

从图6可知，溢流损失的质量流量随时间不断增加。在前期，流量相差不大，到后期，消能箱2单独工作时的溢流流量损失要明显高于消能箱1工作时的情况。结合图4，图5的速度矢量图对比，在装舱后期，沙面的不断升高，在溢流筒周围的漩涡会影响沙子的沉淀效果，使溢流出的沙子比例有所上升。当靠近溢流筒周围的水的流速偏低时，有利于沙的沉积。如果溢流筒周围的水流速度高，水流的运动直接影响悬浮的沙，以及沉淀沙的悬浮，在溢流过程中，对沙子的沉淀影响大。

图6 溢流损失流量

4 结束语

利用Fluent流体力学软件对耙吸挖泥船装舱过程进行了仿真，对消能箱不同位置时的溢流损失与流场进行模拟分析。由模型计算结果可知：

a．溢流损失会随沉积面的上升而逐渐增大。

b．在溢流后期，由于沙面上升，靠近溢流桶周围的水流速度变大，直接影响沙子沉淀，而更容易被水流冲刷，再次悬浮起来。

c．在实际工作时，由于在装舱前期没有太多差别，可以将消能箱1与消能箱2同时启动工作，在装舱后期，只开消能箱1工作。这不仅可提高装舱速度，又可减少溢流损失，从而提高工作效率。

［1］ 王培胜，俞孟蕻，苏 贞．耙吸挖泥船溢流损失估算的一种方法［J］．中国港湾建设，2012，（3）：34-37．

［2］ 高 伟．国内外疏浚挖泥没备的对比与分析［J］．中国港湾建设，2009，（2）：63-67．

［3］ 王振琅，曾 湛．大型耙吸挖泥船装舱系统设计研究［J］．船舶与海洋工程，2012，（1）：38-45．

［4］ 李云旺，王玉铭．耙吸挖泥船溢流损失的分析［J］．船舶，2005，（6）：17-21．

［5］ 于 勇．Fluent入门与进阶教程［M］．北京：北京理工大学出版社，2008．

［6］ 王福军．计算流体动力学分析［M］．北京：清华大学出版社，2004．