基于CFD的某負壓吸附裝置水動力學特性分析*

孫 川，張慶力*，劉貴杰，郭 棟，連軍帥，何 銳

(1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2.青島光明環保技術有限公司，山東 青島 266100)

0 引 言

近年來，青島海域經常由于滸苔爆發性增殖而引起水體變壞[1]。滸苔是一種分布廣泛的大型石莼綠藻，大量滸苔漂浮聚集到近海，不但會阻塞航道，還會破壞海洋生態系統[2-3]。為了消除滸苔帶來的負面效應，并使其變廢為寶[4-8]，國內外不少專家對滸苔的打撈和處理進行了研究[9-12]。

目前，研發人員設計了多種滸苔打撈船[13]，提高了滸苔的打撈效率。但由于近岸灣區水域流動性差，易造成近岸滸苔積聚；又因近岸海域面積較小，水深較淺，現有滸苔打撈船只無法靠近。

針對這一問題，本文將提出負壓吸附滸苔的方法。

1 負壓吸附裝置的結構介紹

1.1 負壓吸附裝置工作原理

負壓吸附打撈裝置由支架、傳送網帶、螺旋槳和液壓馬達等組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 負壓吸附裝置工作原理1-支架；2-傳送網帶；3-擋板；4-螺旋槳

圖1中，液壓馬達帶動螺旋槳旋轉，使前后產生負壓，在水中產生局部水流，將滸苔吸附到打撈船的傳送鏈上，實現滸苔的打撈。

負壓吸附裝置的關鍵部件是螺旋槳。在實際工作狀態下，螺旋槳前端有網狀傳送帶，對螺旋槳旋轉產生的尾流造成一定的影響，因此，在仿真過程中，需要在螺旋槳的前段設置一帶孔的擋板。

1.2 螺旋槳的設計特性

螺旋槳的直徑、螺距比、葉片數、轉速等，都會對負壓大小和水的局部流速產生影響，直接影響負壓吸附裝置的工作性能。

1.2.1 螺旋槳直徑

螺旋槳在固定處旋轉時，葉梢的軌跡稱為梢圓，其直徑即為螺旋槳直徑D。通常螺旋槳的直徑越大，轉速越慢，效率越高；但直徑過大時，槳葉盤面處的平均伴流會減小。因此，在選擇螺旋槳直徑時，要考慮傳送裝置的尺寸和近岸灣區的面積及水深。

液壓馬達功率與螺旋槳直徑的關系式為：

(1)

式中：W—功率；D—螺旋槳直徑；H—螺距；V—轉速。

結合傳送裝置的寬度，根據式(1)計算得到螺旋槳直徑參數為D=300 mm。

1.2.2 螺距

本研究取某半徑處與螺旋槳共軸的圓柱面剖分槳葉，截得槳葉剖面，將該葉剖面的鼻尾線延長，環繞軸線一周，其兩端點的軸向距離即是該槳葉半剖面的螺距H[14]，則有：

F=D×H×L槳寬×P大氣壓×V2×0.25

(2)

式中：F—螺旋槳推力。

根據式(2)可得，螺距越大，槳的推力越大。

1.2.3 螺距比

螺距比H/D是表征螺旋槳幾何特性的一個重要因素，H/D愈大，槳葉對槳軸的傾斜度愈大。本文選用的螺距比為0.8，則可得到H=240 mm。

1.2.4 轉速

轉速選擇時考慮：(1)要保證對灣區滸苔有效打撈；(2)當螺旋槳超過最佳轉速后，由于其轉動時周圍的水來不及流過來，會產生“空泡”現象，降低吸附效果[15]。本文選擇一個液壓馬達，使其帶動螺旋槳產生的轉速為250 r/min。

2 吸附裝置螺旋槳運動特性分析

針對工作狀況下螺旋槳動態流場壓力及流場速度，本文采用Fluent對螺旋槳的水動力性能進行計算[16]，結果作為螺旋槳周圍流場分布的仿真依據。

2.1 負壓吸附裝置模型構建

本文用NX10.0構造了螺旋槳模型。實際工作條件下，螺旋槳前方有網狀的滸苔傳輸裝置，根據傳輸裝置的網孔大小，本文構造了簡化的帶孔擋板，用以代替滸苔傳輸裝置。

負壓吸附裝置模型如圖2所示。

圖2 負壓吸附裝置模型

2.2 網格劃分

本文采用非結構化網格進行葉片部分的劃分，其他區域采用結構化網格。

以螺旋槳直徑為300 mm，葉片厚度為4 mm的螺旋槳為例，本研究使用GAMBIT對其用非結構化網格進行網格劃分。

負壓吸附裝置網格劃分如圖3所示。

圖3 負壓吸附裝置網格劃分

圖3中，擋板面網格大小為3 mm，螺旋槳網格大小為4 mm。

2.3 邊界條件設定

本研究將模型置于流場域中，流場域尺寸取長15 000 mm，寬度和高度為7 500 mm。該區域為流場控制體的靜止區域。在螺旋槳模型附近再建立一個旋轉區域，假定該區域的流場域內流場繞X軸旋轉，根據實際螺旋槳轉速，設定流場轉速為300 r/min。螺旋槳相對該區域內水流呈靜止狀態。

2.4 流場模擬及計算

本文得出的流場速度、流場壓強變化圖如圖4所示。

圖4 流場速度和壓強變化云圖

從圖4可以看出：(1)在傳輸裝置吸附滸苔一側的海水有一定的流速，隨著距離傳輸裝置越近，海水的流速會減??；(2)在帶有開口網格的傳輸裝置吸附滸苔的一側的海水有一定的負壓，所產生的負壓一直延續到傳輸裝置，隨著距離傳輸裝置越近，海水的壓力會越來越小。

2.5 流場計算結果輸出

本研究在Fluent后處理中輸出螺旋槳周圍流場的速度矢量分布數據，根據仿真需要按照一定距離截取相對于傳送裝置與螺旋槳相反一側截面上的速度矢量分布，根據需要調節數據點的密度，導出螺旋槳附近速度矢量分布變化曲線和壓強分布變化曲線如圖5所示。

圖5 流速和壓強變化曲線

由圖5可知：(1)由于傳輸裝置帶有通孔，會有一定的海水從傳輸裝置通過通孔流過，但距離越近流速會越??；(2)由于螺旋槳旋轉產生負壓，傳輸裝置附近的水壓逐漸減小。

3 螺旋槳動態特性的實驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性，本文進行螺旋槳動態特性的實驗。實驗設備為螺旋槳、傳輸裝置、DATA-52壓力變送器、LGY型智能流量流速儀等。

3.1 實驗過程

(1)打開液壓馬達，使螺旋槳保持一定的速度旋轉；(2)在液壓馬達外側垂直于出口的斷面上取5條垂直于出口面的直線，每條垂線均勻布置5個測點；(3)測出螺旋槳尾流水壓力和流速；(4)根據測得的數據繪制流速、壓強變化曲線。

3.2 結果分析

通過實驗得出的流速、壓強變化折線圖如圖6所示。

圖6 流速和壓強變化折線圖

對比實驗結果可以得出：仿真結果基本合理；隨著與螺旋槳和傳送裝置的距離越近，水的流速越小，所受的壓強也會越??；海水由壓強高的位置往低的位置流，則所要打撈的滸苔會隨著海水的流動附到傳送裝置上，也會被海水所產生的壓力差壓到傳送裝置上。由此可見，該負壓吸附裝置能明顯提高滸苔的打撈效率。

4 結束語

針對人工清理滸苔難度大、效率低等問題，本研究設計了近岸滸苔負壓打撈裝置；采用負壓吸附裝置有效地加快滸苔的打撈速度。

針對負壓吸附裝置的實驗及仿真結果表明：螺旋槳旋轉在傳送裝置后方產生的負壓影響范圍和流速影響范圍約為700 mm，在此范圍內該吸附裝置對滸苔的快速打撈吸附有明顯效果。