绞吸式挖泥船绞刀的流场数值模拟*

周栋彬 熊 庭 张新卓 江 攀

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

绞吸式挖泥船在港湾建设、航道湖泊清淤、填海造地、水域环保等领域有重要应用，安装于其桥架前端的绞刀是绞吸式挖泥船的主要工作部件，绞刀旋转时由刀臂带动刀齿进行破碎切削工作.切削得到的疏浚泥浆的主要成分以淤泥和黏土为主，具有固体颗粒粒度小，分布范围宽，含水量高的特点[1].绞刀的流场特性对挖掘性能有重要影响，而绞刀的挖掘性能是影响挖泥船挖泥效率的关键因素.在绞刀工作时，刀齿及刀臂和介质直接接触，刀齿安装于齿座上，当刀齿出现磨损时可即时更换，刀臂则无法更换，而刀臂为绞刀的主要连接及支撑结构，以往的相关研究对刀臂上的压力变化情况的关注较少[2-3]，对绞刀的流场分析一般以转速为主要研究对象且多为简化的清水流场[4-5]. 鉴于此，文中采用流场仿真软件fluent建立了绞刀的三维有限元模型，将绞刀工作时的下倾角及入口流速作为研究对象，采用数值模拟方法研究绞刀在最佳转速工况下，不同下倾角和所处水域流速对绞刀流场的压力分布和出口泥沙体积分数的影响，得到减小绞刀所受压力并提高出口泥沙体积分数的工况参数.

1 绞刀流场的数值仿真模型

1.1 绞刀三维造型

绞刀主体结构由大环、轮毂、刀臂、刀齿组成，轮毂与绞刀轴连接，传递力和力矩，刀齿附着在刀臂上，大环和轮毂把刀臂连接起来，实现连续切削过程.绞刀的设计尺寸对切削性能有重要影响，而刀臂的几何形状是绞刀设计中的关键参数[6].数值仿真中使用的铰刀三维模型包括六个刀臂，48个刀齿，刀臂由内外轮廓曲线及截面生成空间曲面.绞刀尺寸见表1,三维模型见图1.刀臂的内外轮廓曲线为

(1)

(2)

式中：d1为轮毂外径；Ω1为刀臂外轮廓线包角；Ω2为刀臂内轮廓线包角；D为绞刀直径；k为绞刀形状系数，与刀臂外展角有关；N为土质的标准贯入击数；H为刀臂外轮廓线顶点高度；h为刀臂内轮廓线顶点高度；φ为刀臂安装角.

表1 绞刀尺寸参数

1-大环；2-刀臂；3-刀齿；4-轮毂图1 绞刀三维造型

1.2 绞刀流场分析的数学模型

绞吸式挖泥船在进行切削工作时，桥架将绞刀下放至待挖土层，由电机驱动绞刀对土质进行挤压破碎，并随着桥架绕定位桩旋转，由于绞刀直径相比绕定位桩旋转的直径较小，因此，可以近似于直线横移运动.土质剥离破碎后一部分扩散至周围水域或者沉积在水底，另一部分在泵吸作用下经由吸口进入吸泥管，这部分的土质就是挖泥船的最终产量，绞刀的切削原理见图2.

图2 绞刀切削原理图

计算使用的Mixture模型是由离散型和连续相构成的多相流模型，允许相之间互相渗透，它求解的是各相的连续方程和混合相的动量方程，与拉格朗日模型相比，mixture模型考虑的变量更少，计算更有优势.其控制方程描述如下.

连续方程：

(3)

式中：ρm为第m相密度，kg/m3；vm为第m相矢量速度；φm为m相的体积分数.

Mixture模型的动量方程为

(4)

Mixture模型的能量方程为

(5)

计算的湍流模型使用k-ε方程：

(6)

(7)

式中：ρ为水的密度；ui为速度矢量；μt为湍流黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍流k的生产项；sk=1.0，sε=1.3，s1ε=1.44，s2ε=1.92.

2 绞刀流场数值模拟

2.1 流场计算域的设置和网格划分

计算中使用的铰刀直径为1 750 mm、高度为1 125 mm，在geometry中将铰刀所在流场域划分为旋转域和静止域.旋转域设置为包围铰刀的圆柱，直径1.85 m、高1.325 m，实际施工中下倾角的一般大于20°[7]，因此，将下倾角分别设为20°，25°，30°，35°，40°；静止域设置为长方体，长5.85 m、宽5.325 m、高4.15 m，设置完成后使用布尔运算去除固体设备.绞刀计算域设置见图3.

图3 绞刀流场计算域的划分

铰刀在旋转过程中，越靠近铰刀附近的流场所受影响越大，网格需进行局部加密，对旋转域及旋转域和静止域交界面上的网格进行加密，对静止域的网格进行适当的稀疏化.在mesh中不同下倾角的划分网格数分别为：20°网格数2 571 225，25°网格数2 573 376,30°网格数2 573 340，35°网格数2 574 386，40°网格数2 579 742.经过网格修改和优化，计算中99%以上的网格质量在0.5以上，符合计算要求.

2.2 边界条件的设定

将5组下倾角不同的mesh文件分别导入fluent中，对模型进行边界条件的设置.

1) 材料的设置 计算中液固两相分别为水和泥沙颗粒，具体参数设置见表2.

2) 边界的设置 将入口设置为速度入口，泥沙和水的流入速度分别取2，5，8 m/s，方向垂直于入口面，出口设置为自由出口.

3) 壁面的设置 将绞刀轴与静止域的接触面设置为无滑移壁面，其他壁面设置为开放式壁面.

4) 旋转域的设置 有研究显示，泥沙吸入百分比及颗粒分布均匀度随绞刀转速呈先升后降的现象，合理转速范围在30～40 r/min之间[8-9]，计算中设置旋转域的转速为35 r/min,方向为顺时针方向旋转.

5) 模型采用mixture模型，湍流方程采用k-ε方程[10-11].

表2 泥沙参数

3 结果分析

下倾角α分别为20°，30°，40°时绞刀刀臂的压力分布云图见图4，由图4可知，绞刀上最大压力的位置在刀臂上接近轮毂的地方，此处是刀臂延轮廓线发展时外径最大的位置，也是刀臂与泥沙接触最充分的地方，比较三种下倾角的压力云图发现，随着下倾角的增大，最大压力的范围向大环处发展，因此角度越小最大压力的扩散范围也就越小.

图4 不同下倾角刀臂压力云图

为了分析不同工况组合下绞刀上的压力变化情况，在流场分析后处理中从绞刀上取三个位置进行分析，分别是绞刀最大压力处、刀臂与轮毂连接处、刀臂与大环连接处.这三处是绞刀的主要承力处及结构支撑点，对绞刀的结构强度有重要影响，将这三个点标记为①，②，③，三点的具体位置见图5.

图5 压力分析所取三点位置

在绞刀流场分析的后处理中不同下倾角、不同进口速度工况下的绞刀上三处位置压强的变化情况见图6.

图6 不同入口速度下绞刀压力随下倾角变化趋势

绞刀上的压力变化对绞刀的使用寿命和结构强度有较大影响，进而影响绞刀的切削性能.由图6可知，当下倾角较小时，绞刀上的压力较大，随着下倾角增加，压力持续降低，在角度为35°时压力达到最小值，继续增大下倾角，压力反而出现增大的情况.当下倾角一定时，随着流体的入口速度增加，绞刀上的压力会增大，且幅度很明显.

因此，流体的入口速度对绞刀压力的影响比下倾角大，入口速度越小，铰刀所处流域就越稳定，泥沙对绞刀的冲击越小，绞刀所承受的载荷也就越小.下倾角过小时，绞刀所承受的载荷很大，且此时的挖泥深度很小，对实际工况及地形的要求比较严格；下倾角过大时，由于吸泥管布置于桥架内，吸管的下倾角也会很大，此时泥沙比小角度更易沉降，使泥泵的功耗增加，导致工作效率降低.综合分析可以得出，在绞吸式挖泥船实际施工过程中，需要在较平缓的海况中设置合理的下倾角来降低绞刀所承受的载荷，以优化其挖掘受力性能.

不同下倾角出口泥沙的平均体积分数变化情况见图7.由图7可知，随着下倾角的增大，出口泥沙的平均体积分数逐渐增大，当下倾角增加到35°时平均体积分数达到较大值，角度继续增大，平均体积分数会继续增加，但是幅度趋于平稳，且随着入口流速的增大，出口泥沙平均体积分数逐渐降低，在入口流速为2 m/s时出口泥沙平均体积分数最大且随着下倾角的变化波动较大，因此，挖泥船施工时所处流域越稳定，产量就会越大，挖掘效率也就越高.

图7 出口泥沙平均体积分数

4 结 论

1) 在绞刀流场的数值模拟过程中，旋转域尺寸小，是流场分析的主要研究对象，网格需加密.对于10%以下体积分数的泥沙颗粒，适合使用双欧拉模型计算，而对于较高体积分数，应采用mixture模型.

2) 绞刀刀臂为绞刀的连接及支撑结构，其载荷变化对绞刀的受力性能影响较大，当绞刀下倾角在20°～40°范围内时，刀臂的主要连接和支撑处的压力及最大压力随下倾角的增加有先增后降的趋势，且当入口流速在2～8 m/s范围内时，随着入口流速的增大，压力升高幅度很大，最大压力的范围也随下倾角的增大向大环扩散；出口泥沙体积分数会随着下倾角的增大而增大，且随着入口流速的增大而降低，因此，合适的下倾角及入口流速较低的工况会有利改善绞刀的受力性能，并提高工作效率.

3) 影响绞刀压力及速度分布的影响因素除了下倾角和入口流速，还有绞刀的横移速度、前进步距、泥沙粒径范围等因素，本文的数值模拟简化了工况，忽略了这些因素的影响，进一步的研究需考虑这些因素的影响.