為了研究絞吸式挖泥船水下絞吸砂土的效率問題,結(jié)合計算流體力學(xué)和離散單元法提出了一種研究絞刀絞吸過程的三維數(shù)值模擬方法,并且建立了基于絞刀的流體計算域模型和砂土的離散元接觸模型。利用這兩個模型模擬了砂土被挖泥船絞刀切下以及通過管道排出的完整過程,得到了五臂絞刀和六臂絞刀在不同轉(zhuǎn)動速度和橫移速度下的絞刀轉(zhuǎn)動功率和導(dǎo)送效率的變化規(guī)律,并與實船數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)速恒定時,絞刀轉(zhuǎn)動功率和導(dǎo)送效率隨著橫移速度的增大而逐漸上升;當橫移速度恒定時,絞刀轉(zhuǎn)動功率隨著轉(zhuǎn)速增大顯著上升,而導(dǎo)送效率先上升然后又降低;在不同工況下兩種絞刀的轉(zhuǎn)動功率基本相同,但六臂絞刀的導(dǎo)送效率優(yōu)于五臂絞刀;數(shù)值模擬獲得的絞刀轉(zhuǎn)動功率和導(dǎo)送效率與實船數(shù)據(jù)對比誤差分別約為15%和25%,驗證了本數(shù)值模擬方法的可行性。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2020,37(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

絞刀三維模型Fig.23Dmodelofthecutter(a)

6所示。由圖可見：初始時刻絞刀與砂土顆粒相對靜止；t=0.5s時砂土受到絞刀轉(zhuǎn)動和泵吸的影響開始逐漸進入管道中；t=0.8s時更多顆粒因為絞刀的轉(zhuǎn)動開始旋轉(zhuǎn)起來；t=1.2s時進入管道里面的顆粒沿管道上升，管道外面的顆粒因為流場的影響圍繞管道螺旋上升。絞吸時顆粒行為與實際相符，說明此數(shù)值模擬方法有效。圖6不同時刻絞吸圖Fig.6Graphicsofcuttingandsuctionprocessatdifferenttimes3.2絞刀功率數(shù)值模擬通過離散元軟件統(tǒng)計了不同工況下絞刀水下絞吸砂土的過程中，絞刀轉(zhuǎn)動所消耗的功率情況，如圖7和圖8所示�？梢妰煞N絞刀在不同工況下的功率變化規(guī)律為：當絞吸穩(wěn)定時，兩種絞刀的轉(zhuǎn)動功率隨著轉(zhuǎn)動速度和橫移速度的增加都明顯上升。圖7轉(zhuǎn)動速度對轉(zhuǎn)動功率的影響Fig.7Effectofrotatingrateonrotationpower圖8橫移速度對轉(zhuǎn)動功率的影響Fig.8Effectoftransversevelocityonrotationpower絞刀的轉(zhuǎn)動功率取決于絞刀和顆粒之間的相互作用情況，轉(zhuǎn)動速度或者橫移速度增大時，這種相互作用關(guān)系都會變得更緊密，因此功率也隨之增大。其中轉(zhuǎn)動速度增大時，這種相互作用關(guān)系更明顯，所以功率的增加也更為顯著。兩種絞刀在不同轉(zhuǎn)動速度和橫移速度下不僅功率的變化規(guī)律一致，而且功率大小也基本相同。

第4期張巖松，等：基于CFD-DEM方法的挖泥船絞刀導(dǎo)送性能研究1429行了基于Fluent的加料滾筒內(nèi)物料運動模擬分析等。離散相模型基于顆粒軌道理論，一般將體積分數(shù)很低的顆粒相作為擬流體，統(tǒng)計決定一個顆粒的“平均軌道”，并且假設(shè)顆粒群中顆粒的分布服從高斯概率分布函數(shù)。這種計算方法忽略了顆粒之間的相互作用以及顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響，無法還原離散系統(tǒng)真實的顆粒屬性，精度也不夠理想。本文利用離散單元法(DiscreteElementMethod，DEM)求解顆粒相，用流體動力學(xué)的方法求解連續(xù)相，充分考慮砂土顆粒之間以及砂土、絞刀與流體之間的相互作用，進行較為完整的絞刀水下絞吸砂土過程的數(shù)值模擬；分析五臂和六臂兩種絞刀在絞吸砂土?xí)r，絞刀轉(zhuǎn)動功率和導(dǎo)送效率隨轉(zhuǎn)動速度和橫移速度的變化規(guī)律。2數(shù)值模擬方法2.1基本算法本文利用基于離散單元法的EDEM軟件和計算流體動力學(xué)軟件Fluent進行流固耦合分析，求解砂土由絞刀切下后進行導(dǎo)送的過程。離散單元法是分析與求解復(fù)雜離散系統(tǒng)動力學(xué)問題的數(shù)值方法，與求解復(fù)雜連續(xù)系統(tǒng)的有限元法具有類似的物理含義和平行的數(shù)學(xué)概念，但是兩者使用不同的數(shù)值模型與處理手段。離散單元法是由文獻[9-11]提出的用以解決巖石力學(xué)大變形問題以及土體破壞過程的一種方法。該方法以牛頓運動學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，采用有限差分法通過相鄰顆粒間力和位移的迭代，進而求解整個介質(zhì)系統(tǒng)的變形、破裂及演化過程。另外，本文采用歐拉-歐拉耦合方法，通過修改體積分數(shù)的做法，引入附加的連續(xù)性方程來描述相之間的相互作用。能量不會在相之間進行傳遞，因此只需要遵守質(zhì)量守恒和動量守恒�？紤]流體相的質(zhì)量連續(xù)性方程可以表示為FFFFFP()()(m)ttv(1)式中：F為流體體?

【參考文獻】：
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