挖泥船绞刀二维清水流场数值模拟

方园，倪福生

（河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 常州 213022）

绞吸挖泥船因具有广泛的适应性和经济性，是目前世界上使用较广泛的一种挖泥船。而绞刀则是绞吸式挖泥船工作中最重要的部件，其结构如图1所示。挖泥船工作时是通过绞刀刀臂旋转带动刀齿破碎切削物来完成疏浚切削过程的。其中绞刀、切削物（泥沙）、水三者相互作用形成了绞刀周边复杂的流场，水流和绞刀旋转运动无疑是决定流场状态的关键因素。本文应用计算流体动力学专业软件FLUENT对绞刀在清水中自由旋转的二维流场进行数值模拟，初步探究绞刀内部及周边的流场分布状态。

图1 绞刀结构示意图

1 数值模拟方法

1.1 计算区域及网格设计

取靠近吸口处且垂直于绞刀轴的一截面作为研究对象，绞刀大环直径为398mm，装有6个弯曲刀臂，中间绞刀轴直径为110mm，水流在泵抽吸压差作用下从腰子形吸口流出，吸口面积为0.019 6m2，绞刀所在的长方形流体区域长6m，高1.5m，绞刀处于流体区域的中心位置，如图2所示。网格采用适应性较强的非结构网格，通过设置刀臂以及吸口处的网格间距来实现网格的局部加密。由于刀臂顺时针方向旋转，刀臂迎着来流方向边界层逐渐增厚，所以刀臂上网格划分比较复杂，网格间距从0.6至2.5变化不等。这也是将流动模拟结果反馈到网格设置上不断调试的结果。其他区域则通过面网格进行划分，越远离绞刀的区域网格越稀疏，整个区域网格总数为127 673。

图2 绞刀计算区域及网格模型

1.2 控制方程

流体流动都要受物理守恒定律的控制，本文所采用的雷诺平均法N-S方程描述如下：

连续方程：

动量方程：

式中：ui为流体流速；p为流体压强；μ为动力黏度；Fi为流体质量力

1.3 方程的离散与求解

计算中采用k-ε模型对以上方程进行封闭。定常计算应用标准k-ε湍流模型，非定常计算应用RNG k-ε湍流模型[1-3]。采用有限体积法对控制方程进行离散。方程对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项和源项均采用二阶中心差分格式，控制方程求解采用收敛情况较理想的SIMPLEC算法。

1.4 边界条件

由于绞刀所处的流体区域上表面与大气相通，所以计算中进口边界条件设置为压力进口，取值为1个大气压。出口边界条件设置为速度出口，即通过泵吸流量与吸口面积的比值来确定吸口处流体流速的大小。靠近刀臂边界区域采用壁面函数法，并将第一个与壁面相邻的节点布置在流动充分发展的湍流区域内[1]。

1.5 动静干涉处理

FLUENT软件描述动静区域间相对运动的方法主要有多参考系、混合面、滑移网格和动网格等模型，其中多参考系以及混合面模型假定流动为定常，用交界面上的流动参数平均值在动静区域间进行参数传递；滑移网格和动网格模型假定流动为非定常，流动参数不经平均直接在两侧节点间进行传递，可以真实地反映动静区域间的影响与干涉[4]。本文采用多参考系模型进行定常流动计算，采用滑移网格进行非定常流动计算。

2 计算结果及分析

2.1 定常湍流计算结果

绞刀内部及周边流场的形成是在泵的抽吸和绞刀的扰动共同作用下形成的，要想得到绞刀流场信息，则必须同时考虑泵吸流量及绞刀转速两个重要的影响因素。由于两种因素相互组合会产生多种工况，这就给数值模拟带来一定困难，所以，本文引入无量纲量流数ψ来表示影响因素的组合情况，流数的定义如下：

式中：Q为泵吸流量，m3/s；ω为绞刀旋转角速度，rad/s；R为绞刀大环半径，m。流量及转速组合情况如表1所示。

表1 不同流场的参数配置表

从表1可以看出，泵的流量由大至小排列，而绞刀的转速则由小至大排列，流数ψ得到最大的取值范围为0.306～1.684。由于绞刀流场是由泵抽吸产生的压差力与绞刀旋转产生的离心力共同作用形成的，所以在绞刀外形尺寸不发生变化的前提下，泵的流量与绞刀的转速同时扩大或缩小n倍，只要表征两个影响因素的无量纲量取值相同，由于流动的相似性，流场的速度三角形相似，则计算模拟得到的流场近乎一致。因此，这6组数据实则代表了多种参数配合情况。本文列出无量纲量ψ分别为1.684、0.927、0.306时绞刀内部及周边绝对、相对速度矢量图。所谓绝对速度场是指观察者站在地面上所看到的流场，而相对速度场则是观察者与绞刀一起旋转时所观察到的流场，能更好地反映水流相对于刀臂的流动状态。

当ψ=1.684时，如图3所示，泵吸流量最大，导致流体流速很高，以致在刀臂的内侧产生大量的漩涡，从速度矢量图上还可以看出流体在绞刀刀臂某个位置发生分离，此种工况流体紊乱度增加，引起能量损失。当ψ=0.306时，如图4所示，虽然绞刀内部产生的漩涡比较少，但是由于绞刀转速很高，而泵吸流量又很小，水流吸入困难。从速度矢量图可以看出一少部分流体在强大的离心力的作用下产生外溢现象，流线不顺畅，这有可能会影响到挖泥船的产量。相比之下，当ψ=0.927时，绞刀内部及周边的流场分布较合理。如图5所示，绞刀周边的流体被绞刀带动一起旋转，并经过刀臂有向吸口流动的趋势，这说明了绞刀对周边流体具有卷吸的作用。越靠近吸口流速越大，而越远离吸口流速则相应地变小。绞刀内侧出现漩涡区，而在吸口上方出现两个高速区，这是由于流体经绞刀流入吸口，受绞刀轴阻挡，在此汇集，狭小的区域瞬间通过大流量会产生很高的流速，而吸口下部两个刀臂附近出现的高速区也同样是这个原因造成的。由模拟结果分析可知，不论是过高的绞刀转速还是过大的泵吸流量，在疏浚工程中都是不经济的，两者之间可能在转速不太高、流量不太大的情况下存在着最优配合。图6为流数ψ=0.927工况下压力云图，可以看出绞刀内部由于流速较大，压力较绞刀外部而言小，尤其是靠近吸口附近压力最小，6个旋转刀臂头部靠外侧部分压力相对高一些，这是由于流体在泵的作用下向吸口流动，冲撞到刀臂上速度瞬间减小而引起压力上升。

图3 ψ=1.684绞刀内部及周边速度矢量图

图4 ψ=0.306绞刀内部及周边速度矢量图

图5 ψ=0.927绞刀内部及周边速度矢量图

图6 ψ=0.927绞刀内部及周边压力云图

2.2 非定常湍流计算结果

图7为不同时刻绞刀内部及周边流场速度矢量图。由于流数ψ=0.927的工况下绞刀流场的流线分布较为顺畅，所以选取该工况对绞刀内部及周边的非定常流场进行计算，记录下流场随时间的变化。该工况下绞刀的转速是40 r/min，绞刀转一圈所用的时间为1.5 s，模拟其中一个刀臂从初始位置转到下一个刀臂位置的流场变化情况，取时间步长为0.01，时间步向前推进，同时刀臂附近网格相应转动到下一个位置并进行新一轮的计算，共计算了1/6周期即0.25 s。从3个时刻的速度矢量图上可以清楚地观察到随着时间的变化，刀臂的位置也相应地发生改变。左半边刀臂由于迎着水流，流线顺畅，流动状态较好，而右半边刀臂对水流有一定的遮挡作用，漩涡都出现在这些刀臂的内侧，随着刀臂的旋转，漩涡也跟随移动。当刀臂经过腰子形吸口底部时，内侧都会形成高速区。

图7 不同时刻绞刀内部及周边流场绝对速度矢量图

3 结论

本文基于CFD技术、FLUENT软件对绞吸式挖泥船绞刀内部及周边区域进行建模，划分网格，确定边界条件以及进行定常及非定常湍流数值模拟计算，并充分考虑动静部件之间的相互作用，得到了以下结论：

1）绞刀流场是由泵的抽吸以及绞刀的扰动共同作用形成的，两者之间如何配合工作会影响到挖泥船的效率以及产量。由模拟结果分析得知，过大的泵吸流量或过高的绞刀转速对于工程来说都是不经济的。本文对绞刀二维清水流场进行了一些初探，为寻求最优工况提供一种方法。

2）模拟结果得到了绞刀流场的速度矢量图、压力云图，捕捉到了随着时间变化绞刀流场的变化，为初步认识绞刀内部及周边的流场状态提供一些参考。当然，由于实际工程中绞刀流场的形成还取决于横移速度、被切削土质的特性等，所以利用CFD技术对绞刀流场的探究还有着更为广阔的发展空间。

[1] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：3-22.

[2] 黄剑峰，张立翔，何士华.混流式水轮机全流道三维定常及非定常流数值模拟[J].中国电机工程学报，2009，29（2）：87-93.

[3] Yakhot V，Orzag S A.Renormalization Group Analysis of Turbulence：Basic Theory[J].Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3-11.

[4] 刘全忠，宫汝志，王洪杰，张勇.离心泵隔舌间隙对叶轮流体作用力的影响[J].水泵技术，2009（4）：26-28.