抓斗下降时流场和最优下降方式的数值计算

，Tomoaki Nakamura，Yonghwan Cho，Norimi Mizutani，Tsuyoshi Kanazawa

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2.Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan; 3.TOYO Construction Co., Ltd., Hyogo 663-8142, Japan)

抓斗下降时流场和最优下降方式的数值计算

龙瑞1，Tomoaki Nakamura2，Yonghwan Cho2，Norimi Mizutani2，Tsuyoshi Kanazawa3

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2.Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan; 3.TOYO Construction Co., Ltd., Hyogo 663-8142, Japan)

2017,34(12):7-11，16

疏浚作业时如何能有效减少水体浑浊，减轻污染一直是人们关注的问题。利用可以分析流体和固体间运动相互作用的数学模型，模拟了环保型抓斗下降过程中的流场情况,并讨论了不同下降方式对流场的影响，提出了能适度控制流场扰动的操作方法。结果表明：抓斗在下降过程中减速能有效减少底面流速，达到抑制底面浑浊的效果，其中抓斗在距离底面3 m处减速为初始速度的1/3能最有效减少水体扰动从而抑制底面浑浊。研究结果可为环保型疏浚施工提供参考。

疏浚作业；抓斗；下降方式；流场扰动；数值计算;水体浑浊

1 研究背景

随着世界经济的飞速增长和人类活动的干扰，全球的水域都受到了不同程度的影响。疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口水域的主要手段之一。然而，疏浚也会使含有二噁英、PCB等难溶性污染物质的水底污泥随着泥沙的搅拌、挖掘向更宽阔的水域扩散，形成二次污染。为了减少二次污染，人们通常采取在开挖区域外围设置防污围栏的方法来减少浮泥及其他漂浮物对水体的影响，同时也对抓斗的外形进行了环保改造，密闭式的抓斗结构可以减少抓斗上升过程中漏水漏土对水质造成的影响。但是这些防污对策往往停留在问题表面，关于污染产生的源头，抓斗运动过程中随之而来的水体浑浊的研究几乎没有。Radermacher等[1]对悬挂式防污围栏在拦截横向流的效果问题上提出了质疑，雷晓玲等[2]也提出要解决抓斗式疏浚带来的二次污染问题，必须从减少扰动的观点出发，因此有必要对污染的源头进行研究。

Matsuda等[3]对抓斗触底时的流体特性进行了室内试验和数模解析，结果表明抓斗的下降速度越快，产生的水体浑浊越大。随后Furumaki等[4]使用SPHysics3D模型对Matsuda等[3]的试验进行了数值验证。为了研究抓斗运动对流场的扰动，Nakamura等[5]使用Nakamura等[6]开发的三维流体结构-沉积物-海底相互作用模型(three-deimensional fluid-structure-sediment-seabed interaction model,FS3M)进行了断面二维数值计算试验，确认了模型的实用性，并讨论了不同下降方法对抓斗附近流速的影响。Kanazawa等[7]进行了断面二维和三维物理模型试验，对抓斗上升、下降过程中周边水块的流动特性进行了初步探讨，结果表明，三维试验测得的流速较二维试验的流速有较大的差异，因此我们需要进一步对三维结果进行探讨。

本文对抓斗的下降过程进行了断面二维和三维数值计算，更深一步研究了断面二维和三维计算结果之间存在较大差异的原因，对环保型疏浚施工提出了可供参考的意见。

2 计算方法

本研究利用Nakamura等[6]开发的FS3M进行计算,此模型由大涡模拟(LES)和4个模块组成。4个模块分别为可以对运动界面进行追踪的VOF(Volume of Fluid)模块，可以对复杂外形结构在流场中的运动进行分析的IB(Immersed Boundary)模块，能计算随着推移质、悬浮沉积物的输送而变化的床底冲淤及悬浮沉积物浓度分布的模块，以及基于u-p形式的Biot式的能够耦合分析土中液态和固态的模块。其中，VOF法中的VOF函数F表示各计算格子中的流体率，F=0：空气；0

(1)

其中：

(2)

v′i=(1-Fob)vf ′i。

(3)

式中符号“-”和“′”分别表示GS(Grid Scale)成分和SGS(Sub-Grid Scale)成分。

(4)

本计算没有考虑地形变化，故其他模块不说明。

3 计算条件

如图1所示，考虑到抓斗具有对称性，出于节省计算工作量的角度考虑，只计算x≥0的部分。静水深13 m，抓斗从底端距离水底9 m深处呈全开状开始下降。考虑到抓斗接触底面时会产生过大的速度，为了不影响计算结果，所有计算方案均在距离抓斗距离底面0.1 m处停止下降。

图1 计算范围

表1为计算条件，抓斗的初始下降速度为0.774 m/s。为了讨论不同下降速度对底部流速的影响，设置了6组变速对照组，方案D1、方案D3和方案D5的下降速度在下降途中变为了初始速度的1/3，而方案D2、方案D4和方案D6变为了初始速度的1/2。其中原始方案D0和方案D3，D5进行了二维及三维的计算。在图1(a)所示范围进行二维计算，图1全领域为三维计算范围，其中抓斗部分，二维计算时只考虑绿色部分，三维计算时考虑到抓斗的闭合构造，在从正面朝后1.25 m的地方添加了厚0.12 m的罩子(黄色部分)。流速计设定在x=7.325 m,y=0 m,z=0.25 m处。

表1 计算条件

二维计算时，抓斗周边(0≤x≤4.4 m，1.25≤y≤1.37 m，0≤z≤13 m)使用0.04 m等间隔格子，三维计算时使用0.04 m×0.06 m×0.04 m的等间隔格子，抓斗外围格子逐步扩大，进行计算。

4 计算结果

4.1 流速特性

各方案抓斗下端和底面附近合成流速随时间变化关系如图2所示。

图2 各方案抓斗下端位置和底面附近合成流速|V|随时间变化关系

从方案D0的断面二维计算结果可以得出，抓斗的下降速度保持不变的情况下，抓斗越靠近底部其流速越大，触底后合成流速|V|达到最大值，随后流速开始急速下降。从距离底面1 m时开始减速的方案D1和方案D2可以看出，|V|在抓斗下降速度变慢后形成一个小高峰，随后减小并在抓斗触底后达到最大值。底面上方3 m处开始减速和5 m处开始减速的方案D3—方案D6，将其与方案D1，D2对比发现，抓斗在距离底面稍远处开始减速,则流速的增加也会减少，但最大流速依旧在抓斗触底后产生。另外，根据方案D3—方案D6的结果可以发现，在距离底面达到一定距离后，下降速度一样的方案产生的最大流速几乎一样。对比三维计算结果和断面二维计算结果可以发现，流速的变化不仅在最大值，发生时刻上也存在着较大差异。三维计算时抓斗周边流速明显小于二维计算，并且最大流速的发生时刻也晚于二维计算。

图3 底面上最大水平流速分布的二维和三维计算结果

4.2 底面流速的特性

由于断面二维和三维的计算结果存在较大差异，故本文选取底面上方0.2 m的位置对流速进行抽取和分析。

底面上0.2 m处的水平方向最大流速umax分布如图3所示，其中，为了比较不同计算步长对计算结果的影响，方案D0的二维计算选取了Δt=0.1，0.01，0.001 s 3个时间间隔进行数据输出。如图3(a)，Δt=0.1 s时umax呈波动状态，而Δt<0.01 s时波动消失，并且步长越小得到的最大水平方向流速越大。但由于计算工作量过大，最后选定二维计算步长为0.01 s，三维计算步长为0.1 s。

由二维计算结果(图3(a))可知，无论抓斗的下降速度为多少，umax的最大值均在抓斗的铲头位置x=3.675 m的稍微向外的位置发生。由三维计算结果(图3(b))可知umax不仅朝着x轴方向扩散，也向y轴方向扩散。断面二维和三维计算的结果均显示抓斗下降过程中减速会使umax整体减少。

4.3 流场特性

本节以方案D0和方案D3为例进行比较。为了更直观地对比二维和三维计算结果，三维计算结果以断面图形式展现。

图4为方案D0的流速分布，图5为方案D3的流速分布，图4、图5中的不同时期从左到右均依次表示为抓斗距离底面1 m时、抓斗触底时、抓斗触底后1 s、触底后5 s、触底后10 s。

图4 不同计算工况下D0方案的断面流速分布

从图4(a)可以看到，当时间t=10.2 s时,大的流速从抓斗的铲头附近产生并随着抓斗的下降，巨大的流速朝着底面接近。t=11.5 s表示抓斗触底时，被抓斗推动的水块因抓斗接近底部产生了向外的非常巨大的流速。随后t=12.5,16.5,21.5 s抓斗停止运动后，流速逐渐减小。同样的现象在三维计算的y=0.09 m断面展示(图4(b))中也得到确认。三维计算中，x=1.837 5 m为被计算单片抓斗的中央附近，在图4(c)的结果中可以看出和zx平面相同的变化趋势。从z=0.02 m的底面流速分布(图4(d))可知，抓斗在刚开始运动时，对底面的影响力很小，直到快接近底部时才产生极大的流速。此外，三维模拟中，随抓斗下降而排出的水块和二维模拟不同，会朝着四周扩散，这被认为是三维计算得到的流速小于二维计算的原因。

图5 不同计算工况下D3方案的断面流速分布

从方案D3的二维计算结果(图5(a))可以看到，抓斗在下降途中减速可以让整体流速变小，但流速的变化倾向与下降速度一定的方案D0是一样的。同样的现象在三维计算结果的图5(b)和图5(c)中也得到验证。此外，从三维计算中的平面流速分布(图5(d))t=15.2 s中可以看到，抓斗下方的内侧，x=0～2 m,y=0～4 m处有较大的流速，这种现象被认为如图5(c)中t=15.2 s时的图面，随着抓斗下降产生的加速水块因为抓斗自身运动的减速，比抓斗先一步到达底面。

通过上述研究可知，抓斗在下降途中减速确实会对底面流速带来减小的效果。抓斗在二维计算和三维计算中虽然流速相差较大，但流速的变化规律相同，出于减少计算工作量的考虑，二维计算结论也可以被认为是有效的定性评价。结合测量流速和底面流速特性，并考虑到施工时间的影响，通过减速以达到降低底面浑浊效果的最优下降方式为方案D3。

5 结 论

本研究使用可以分析流体和固体间运动相互作用的数学模型对环保型抓斗进行了数值计算，讨论了抓斗的不同下降速度对底面流速的影响。结果表明，抓斗在下降过程中减速能有效减少底面流速，其中抓斗在距离底面3 m处减速为初始速度的1/3时,能最有效减少底面流速，达到抑制底面浑浊的效果。今后将添加泥沙模块，对流速卷起的泥沙含量进行分析。

[1] RADERMACHER M,DE WIT L,WINTERWERP J C,etal.Efficiency of Hanging Silt Curtains in Crossflow[J]. Journal of Waterway Port Coastal and Ocean Engineering,2016,142(1),doi:10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000315.

[2] 雷晓玲，彭小兰，黄媛媛，等.抓斗式疏浚设备对底泥污染物释放规律的研究[J]. 环境工程，2015，33(4):97-99.

[3] MATSUDA N, GOMYO M, MATSUBARA Y,etal. Research of Flow Generated by Grab Dredging[J]. Proceedings of Civil Engineering in the Ocean, 2005, 21: 331-336.

[4] FURUMAKI D, KANAYAMA S. A Numerical Analysis of Generated Flow in Grab Dredging [J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B3 (Ocean Engineering), 2012, 68(2): 390-395.

[5] NAKAMURA T, FUKUDA S, SUZUKI M,etal. Numerical Analysis of Flow Field During the Drop of a Sealed Bucket and Its Optimal Drop Operation[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B3 (Ocean Engineering), 2015, 71(2): 1203-1208.

[6] NAKAMURA T, YIM S C, MIZUTANI N. Three-dimensional Fluid-structure-sediment Interaction Modeling with Application to Local Scouring around a Movable Cylinder[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2013, 135(3): 031105-1-031105-9.

[7] KANAZAWA T, TSUJIKITA S, NAKAMURA T. Impact on the Flow Field and the Turbidity by Lowering, Hoisting Operation of the Grab Bucket[J]. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. B3 (Ocean Engineering), 2016, 72(2): 580-585.

Numerical Calculation of Flow Field and Optimal OperationDuring the Drop of Grab Bucket

LONG Rui1，Tomoaki Nakamura2，Yonghwan Cho2，Norimi Mizutani2，Tsuyoshi Kanazawa3

(1.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;2.Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan; 3.TOYO Construction Co., Ltd., Hyogo 663-8142, Japan)

It is essential to effectively reduce the generation of turbidity and pollution in dredging works. In this paper, the flow field during the drop of a sealed grab bucket was simulated with a three-dimensional coupled fluid-structure-sediment-seabed interaction model (FS3M), and the impact of different drop modes on turbidity was discussed in order to propose the optimal drop operation for reducing the turbidity effectively. Numerical results showed that a decrease in the drop speed of the bucket could effectively reduce flow velocity at the bottom, suggesting a reduction in the generation of turbidity from the bottom. In particular, reducing the drop speed of grab bucket to one-third at 3 meters from the bottom is found to be the most effective.

dredging；grab bucket；drop operation；flow field disturbance；numerical analysis; water turbidity

2017-07-07；

2017-08-16

龙 瑞(1991-)，女，湖北武汉人，助理工程师，硕士，研究方向为近海工程、河流数值模拟，(电话)13667231326(电子信箱)longrui113@outlook.com。

10.11988/ckyyb.20170785

U616.2; TV148

A

1001-5485(2017)12-0007-05

(编辑：黄 玲)