泥漿質量濃度對挖泥船泥泵工況的影響

陳志堅，朱漢華，范世東，熊　庭

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

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泥漿質量濃度對挖泥船泥泵工況的影響

陳志堅，朱漢華，范世東，熊庭

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

針對疏浚作業中由于泥泵劇烈振動引起蝸殼變形和噪聲的問題，以某型絞吸挖泥船上的泥泵為研究對象，利用Pro/E軟件建立泥泵的三維模型，采用有限元法進行仿真分析，結果表明，泥泵的最大應力位于靠近隔舌的葉輪出口壁面處，泥泵振動與泥漿質量濃度有關，振幅變化與振動階次有關。

絞吸挖泥船；泥漿質量濃度；泥泵應力；泥泵振動

絞吸挖泥船在航道疏浚、圍海吹填等建設中發揮著重要作用。泥泵作為絞吸挖泥船的核心部件，其高效、穩定運行直接影響到整船的工作效率和疏浚成本，但在泵送泥漿的過程中，泵體經常出現變形和劇烈振動的情況，由此可能導致與泥泵相連的管道或閥件發生松動或損壞，這對挖泥船工作的可靠性產生了嚴重影響[1-2]。針對泥泵運行中出現的問題，以往的研究多集中于內部流動特性和系統的振動特性[3-8]。然而在挖泥船疏浚施工時，由于疏浚環境復雜且工況參數多變，泥漿質量濃度經常發生較大范圍的變化，因此，泥漿質量濃度對泥泵工況影響的研究是亟待解決的。為此，采用流-固耦合的有限元法對泥漿質量濃度變化時泥泵的應力和振動進行仿真分析。

1　泥泵仿真模擬

1.1泥泵模型的基本參數

以長江航道局的某型非自航絞吸式挖泥船為實例進行建模，該船為主力疏浚船型，適于淤泥、粉土和砂質土等工作土質的疏浚，其主泥泵的主要技術參數見表1。

復雜的疏浚環境和多變的工況參數導致了泥泵內部的泥漿流動非常復雜，三維模型的建立、劃分的網格類型及數目、湍流模型的選擇、多相流模型的選擇和邊界條件的設定都將對仿真結果產生很大的影響。因此，需要根據以上因素來確定正確的數值模擬方案。

表1　泥泵主要技術參數表

1.2泥泵三維模型建立和有限元網格劃分

泥泵流體域包括進口段、出口段及泵腔，根據表1中參數使用Pro/E建立泥泵的三維模型，運用ICEM對泥泵進行網格劃分，網格劃分情況如圖1所示。以不同網格數下進出口的壓降作為依據，驗證網格無關性，最終修正后的網格節點數為185 650個，然后將已劃分的網格文件導入到CFX軟件中進行數值模擬。

圖1　模型網格劃分

1.3數值模型的選取

在實際疏浚作業時，泵送的泥漿一般處于湍流流態。泥漿流動的基本方程主要基于質量守恒、動量守恒、能量守恒3種方程；另外泥漿由泥沙和水混合而成，因此還要遵守組分守恒定律。用CFX軟件進行模擬仿真時，采用SSTk-ω湍流模型進行計算，k-ωSST(shear stress transport)湍流模型是F R Menter在k-ω模型的基礎上發展起來的，能夠對自由剪切流、高雷諾數時的近壁區流動、有限雷諾數的近壁區流動、包含層流區和轉捩的流動等多種狀態進行分析和計算。由于泵送的泥漿處于湍流，一般對瞬態N-S方程做時間平均處理，并且補充反映湍流特性的湍動能方程和湍流耗散率方程。

1.4邊界條件的設定

假設流體的溫度不隨時間的變化而變化，且不考慮黏溫效應；為了使計算具有很好的收斂性，在泥泵吸泥管口采用速度邊界條件，排泥管口采用壓力邊界條件；在壁面采用對數分布規律的壁面函數[9]；泥漿質量濃度取值為10%、20%、30%、40%、50%；泥泵內流場為湍流。

2　泥泵仿真結果分析

根據建立以上的三維仿真模型，采用流-固耦合的有限元法對泥漿質量濃度對泥泵工況的影響進行仿真分析。

2.1泥漿質量濃度變化對泥泵應力的影響分析

根據以上計算模型并通過CFX流體分析軟件來計算泥泵在不同泥漿質量濃度時的應力分布特性，計算結果如圖2所示。

圖2　泥漿對泥泵的應力特性(應力單位：MPa)

由圖2可見，泥泵各部位的應力隨著泥漿質量濃度的增大而逐漸增大。原因是泥泵的葉輪對泥漿有增壓作用，出口處的最大壓力對泥漿的輸出提供了足夠的動力；泥泵的最大應力位于靠近隔舌的葉輪出口壁面處，其位置不隨泥漿質量濃度變化而變化，原因是靠近隔舌的葉輪出口位置與蝸殼之間存在回流，由此引發了漩渦；而最小應力的位置是變化的，隨蝸殼內總壓的周期性波動而變化。

2.2泥漿質量濃度變化對泥泵振動頻率的影響

將受到的應力導入模態分析模塊中進行泥泵的振動分析，計算結果見圖3、4。因為泥泵的低階振動對泥泵特性的影響明顯，所以本文只給出了低階振動區，即前6階振動的頻率和最大幅值。

圖3　泥漿質量濃度對泥泵振動頻率的影響

圖4　泥漿質量濃度對泥泵振幅的影響

由圖3可見，泥泵振動與泥漿質量濃度相關，振動頻率分兩次躍升，分別在第2階和第6階；，振動頻率隨著泥漿質量濃度的升高而逐漸增大，相鄰兩階振動頻率之差相近；在正常工作情況下，泥泵的振動頻率大致穩定在10～50 Hz之間。因此，為了減小泥泵振動所造成的潛在危害，要定期對泥泵的固定端及易松動部件進行檢查，避免不必要的危險發生[10]。

2.3泥漿質量濃度對泥泵振幅的影響

為了研究泥泵各個固有振動頻率與對應振幅的關系，將不同泥漿質量濃度下每個階次的最大振幅進行對比分析。

由圖4可見，振幅變化與振動階次有關，第1階振動的振幅變化很小，且于其他階次的振動振幅相比是最小的，此時泥泵的振動是最穩定的；隨著泥漿質量濃度的逐漸增大，其他階次振動振幅的變化呈現先增大后減小的趨勢，這為避免泥泵產生過大的振動提供了理論分析依據。

綜合圖3、4，泥漿質量濃度在40%左右和振動頻率階次在第5階的時候，泥泵振動較為嚴重，因此針對該船泥泵來講，疏浚施工時應該避開輸送40%濃度的泥漿和第5階的激勵振動頻率，這樣可確保該泥泵的安全穩定運行。

3　結論

1)泥泵應力與泥漿質量濃度成正相關。泥泵各處應力隨著泥漿質量濃度的增大而逐漸增大，最大應力的位置出現在靠近隔舌的葉輪出口位置壁面處，其位置不隨泥漿質量濃度改變而發生變化；最小應力的位置是變化的，因蝸殼內總壓的周期性波動而發生變化。

2)泥泵振動受泥漿質量濃度影響明顯。泥泵各階次的振動頻率隨著泥漿質量濃度的升高而逐漸增大，相鄰階次振動頻率相差較小；低階振型下泥漿質量濃度變化對泥泵振幅影響較小，而在高階振型下隨泥漿質量濃度的逐漸增大，振幅呈現先增大后減小的趨勢。

3)針對該型泥泵，疏浚施工時應該避開輸送40%濃度的泥漿和第5階的激勵振動頻率，且泵送泥漿質量濃度較高時，應著重對靠近隔舌位置的壁面進行維護，防止此處出現較大的變形或裂紋。

[1] 楊年浩.疏浚泥泵葉輪參數化設計及泥泵性能預測[D].南京：河海大學，2006.

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On the Influence of Mud Concentration to Pump Concentration of Dredger

CHEN Zhi-jian, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, XIONG Ting

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

For the problem of the pump volute appears deformed and noise problems caused by strong vibration when dredging, taking a mud pump of certain dredger as the research object. The Pro/E software is used to establish the three-dimensional model of mud pump. The finite element method is adopted to analyze the strength and vibration characteristics of the mud pump. The results show that the position of highest stress is located in the wall of near impeller outlet; the vibration of mud pump is related to the mud concentration, and the amplitude changes is connect with the vibration order.

dredger; mud concentration; pump stress; pump vibration

2016-01-21

2016-04-18

國家科學自然基金(51179144)

陳志堅(1990—)，男，碩士生

U674.31

A

1671-7953(2016)04-0170-03

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.040

研究方向:疏浚工程與管道輸送技術

E-mail:czjian_whut@163.com