耙吸挖泥船環(huán)保溢流筒不同角度環(huán)保閥數(shù)值模擬

石啟正， 鄭金龍

(中港疏浚有限公司， 上海200120)

由于耙吸挖泥船在裝艙過程中泥漿無法充分沉淀， 將會在泥艙頂部形成濁液， 并通過泥艙中的溢流筒從艙底排出。 由于排出的濁液含有大量氣泡， 加上濁液與船體、 螺旋槳之間的相互作用，濁液將長時間懸浮在水面上， 在船尾形成溢流擴(kuò)散。 而當(dāng)濁液排出泥艙后， 溶解在泥漿中的空氣會以氣泡的形式上浮到水體表面， 造成濁液長時間停留在水面， 不僅影響水面的環(huán)境， 甚至?xí)斐珊Ｑ笾械纳锼劳觥?隨著環(huán)保疏浚、 海洋環(huán)境保護(hù)的要求日益提高， 環(huán)保溢流筒技術(shù)受到越來越多的關(guān)注， 因此， 如何有效減少耙吸挖泥船的溢流擴(kuò)散變得至關(guān)重要， 通過在耙吸挖泥船上安裝溢流消能裝置， 可以有效減少溢流液體中空氣含量、 降低對周圍水域的污染。

耙吸挖泥船的裝艙溢流過程屬于氣液兩相流動， 需要研究氣體與液體兩相介質(zhì)在共同流動條件下的耦合規(guī)律[1]， 采用均相流模型對氣體與液體的物理性質(zhì)和運動特性做合理的假設(shè)， 將其視為一種均勻的混合物， 假定計算單相模型的數(shù)學(xué)和物理方程依舊適用， 這種模型廣泛應(yīng)用氣液兩相流模擬計算[2]。 因此研究環(huán)保溢流筒中不同角度環(huán)保閥位置的數(shù)值模型， 可有效控制施工區(qū)域溢流液中的污染物， 對于港口環(huán)境改善有很重要的作用。

1 溢流筒改造

溢流筒中的環(huán)保閥由耐磨閥板和支撐、 中間連桿、 長連桿結(jié)構(gòu)和升降油缸、 支架結(jié)構(gòu)以及線纜架組成。 耙吸挖泥船溢流筒改造、 設(shè)計需要考慮盡量利用原有結(jié)構(gòu)， 長連桿的支撐均利用原有十字撐。

耐磨閥板是環(huán)保溢流筒的主要承載構(gòu)件[3]，要求在滿載泥漿混合物時能夠提供足夠的強度和剛度以保持閥板的角度， 也要考慮其耐磨性。 當(dāng)液壓油缸驅(qū)動長連桿、 帶動中間連桿將直線運動轉(zhuǎn)為閥板的繞軸開閉運動時， 另外也要考慮泥漿充滿溢流筒時閥板仍能正常工作。 原溢流筒由上部活動筒體及下部套筒組成， 下部套筒與三角艙相連固定。 一方面， 若上部活動筒體運動到泥艙較低位置， 考慮其布置空間， 環(huán)保閥安裝在活動筒體下部； 另一方面， 若將環(huán)保閥安裝在固定筒體底部， 連接桿強度和油缸驅(qū)動能力要相應(yīng)提高。

2 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

2.1 數(shù)值模型

本文采用CFX 中的均相流模型進(jìn)行耙吸挖泥船裝艙溢流過程的數(shù)值模擬， 用以驗證環(huán)保閥減少空氣進(jìn)入溢流筒的作用， CFX 中的均相流模型的基本控制方程如下:

連續(xù)性方程

能量方程

式中:W為質(zhì)量流量； ρM為密度；vM為流速；A為流通面積；p為壓強； z 為位移； τo為流體與壁面的摩擦剪應(yīng)力；Ph為控制體周界長度(在圓管中Ph=πD)；g為重力加速度； θ 為流速方向與水平方向的夾角；G為質(zhì)量流速；vn為比容；F為單位質(zhì)量的能力損失。

2.2 搭建模型及網(wǎng)格劃分

泥艙幾何模型根據(jù)萬方耙吸挖泥船泥艙及參數(shù)建立， 但為了后面數(shù)值模擬方便， 且不影響整個數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性， 需要在以下幾個方面進(jìn)行修改。 1)實船上有2 個溢流筒， 且溢流筒沿泥艙中縱剖面對稱分布。 為了減少計算量， 可以根據(jù)對稱性原理建立模型， 只對半個泥艙進(jìn)行模擬分析。 2)疏浚管路共2 套， 只要對其中1 套疏浚管路進(jìn)行模擬計算。 疏浚管內(nèi)徑為1.2 m， 換算成面積為1.13 m2， 模擬時簡化為一個邊長1 m 的正方形， 但兩者的進(jìn)艙流量保持相同， 取總進(jìn)艙流量的一半， 為12 600 m3∕h。 由于進(jìn)口面積略有不同，進(jìn)艙時的流速也略有不同， 但是進(jìn)口離溢流筒的距離甚遠(yuǎn)， 加上兩者的流速相差本來就不大， 因而面積不同帶來的影響可以忽略。 3)在實船上，溢流筒高度可以上下調(diào)節(jié)， 但在數(shù)值模擬中取固定值為12 m。

泥艙模型見圖1。 泥沙從左側(cè)入口進(jìn)入， 由溢流筒底部的出口流出。 圖1 中粗實線框出對稱面，在實船上泥艙和溢流筒沿該面對稱分布。 在進(jìn)行數(shù)值模擬時， 將該面的邊界條件設(shè)置為symmetry，溢流筒入口附近的網(wǎng)格見圖2， 溢流筒入口附近及環(huán)保閥附近是流動變化最為明顯的地方， 因而環(huán)保閥附近網(wǎng)格需要進(jìn)行加密處理， 并在環(huán)保閥壁面設(shè)置邊界層[4]。 模擬計算之前， 以閥板與水平方向的夾角為45°時為例， 截取環(huán)保閥附近的網(wǎng)格， 見圖3。 對環(huán)保閥附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理， 總體網(wǎng)格數(shù)量為2 183 602。

圖1 泥艙模型

圖2 溢流筒入口附近網(wǎng)格

圖3 環(huán)保閥附近的網(wǎng)格

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 泥沙從泥艙左側(cè)入口進(jìn)入

本節(jié)數(shù)值模擬主要是為了驗證環(huán)保溢流筒應(yīng)用于實船上的效果， 也為指導(dǎo)環(huán)保溢流筒實船操作打下基礎(chǔ)。 在圖4 中， 依次為泥艙溢流筒內(nèi)無環(huán)保閥、 環(huán)保閥水平夾角為45°、 環(huán)保閥水平夾角為30°時的溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖。 從圖4 可以看出， 溢流筒內(nèi)未安裝環(huán)保閥時， 溢流筒內(nèi)存在較大的氣體含量； 在環(huán)保閥水平夾角為45°時，溢流筒內(nèi)也存在大量氣體， 但是相對于無環(huán)保閥氣體含量明顯減少； 直到環(huán)保閥水平角度達(dá)到30°時， 溢流筒內(nèi)氣體含量顯著減少， 且比無環(huán)保閥、環(huán)保閥水平夾角為45°的氣體含量明顯降低[5]。

圖4 泥沙入口位于泥艙左側(cè)時泥艙及溢流筒中氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

為了進(jìn)一步詳細(xì)了解溢流筒內(nèi)部情況， 在溢流筒內(nèi)每隔1 m 截取一個平面， 每個截面上均勻取500 個點， 取截面各個點平均值為截面氣體體積分?jǐn)?shù)， 以各截面氣體體積分?jǐn)?shù)的平均值為溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)， 得到3 種情況時溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值， 見表1。

表1 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)值

從表1 可以看出， 安裝環(huán)保閥后溢流筒內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)還是有所減少， 尤其是在環(huán)保閥水平夾角為45°時僅減少了10.5%。 而在環(huán)保閥水平夾角為30°時減少了37.3%， 明顯比環(huán)保閥水平夾角為45°時氣體體積分?jǐn)?shù)減少量多且效果顯著， 也進(jìn)一步證實了安裝環(huán)保溢流筒確實有助于減少溢流液中的氣泡含量。

3.2 泥沙從泥艙中間位置進(jìn)入

在3.1 的數(shù)值模擬中， 將入口的位置設(shè)置在泥艙的最左側(cè)， 但在船舶實際裝艙過程中， 耙吸挖泥船通過泥泵， 經(jīng)過疏浚管道將泥沙混合物輸送到泥艙， 疏浚管道位于泥艙的正上方， 泥沙由泥艙上方進(jìn)入泥艙。 為了更精確地模擬環(huán)保溢流筒實船應(yīng)用情況， 先將模型中的泥沙入口位置移到接近泥艙中間位置(圖5)， 觀察該種情況下泥艙內(nèi)的氣體分布情況[6]。

圖5 泥沙入口位于中部時泥艙模型

將疏浚管入口移至泥艙中間時， 分別模擬了溢流筒內(nèi)不安裝環(huán)保閥和環(huán)保閥水平夾角為45°兩種情況， 其數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。 在溢流筒內(nèi)未安裝環(huán)保閥時， 入口位置在泥艙最左側(cè)和泥艙中間時氣體體積分?jǐn)?shù)分別為0.175 6%和0.151 4%， 氣體體積分?jǐn)?shù)略有減小； 當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為45°時， 將泥沙入口位置由最左側(cè)變?yōu)橹虚g時， 如圖6c)所示， 環(huán)保閥上端會有空泡現(xiàn)象產(chǎn)生， 溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)會有所增大， 由此可見泥沙入口位置會對實船安裝環(huán)保閥的效果有所影響。

圖6 泥沙入口位于泥艙中間時泥艙及溢流筒氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

3.3 完整泥艙模型

在3.2 數(shù)值模擬中， 泥艙內(nèi)只由1 個溢流筒構(gòu)成， 溢流筒的附近即為艙壁； 但在實際上耙吸挖泥船泥艙內(nèi)有2 個溢流筒， 在泥沙溢流時2 個溢流筒之間流態(tài)會存在相互影響。 在耙吸挖泥船裝艙溢流時， 操作人員會根據(jù)施工的實際情況，選擇僅使用其中之一或者同時使用2 只溢流筒[7]，所以應(yīng)搭建完整的耙吸挖泥船泥艙模型， 見圖7。模擬工況可以分為2 種情況: 1)工況1。 其中1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉。2)工況2。 2 只溢流筒同時工作。

圖7 2 只溢流筒的泥艙模型

工況1 僅讓1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉， 泥艙模型見圖7， 溢流筒和入口位置與耙吸挖泥船實船泥艙保持基本一致。溢流筒內(nèi)的氣體積分?jǐn)?shù)云圖見8、 9。 通過圖8、9 可以看出， 封閉的筒內(nèi)幾乎不存在任何氣體，正常工作的筒內(nèi)存在大量的氣體， 而且環(huán)保閥上端會產(chǎn)生空泡現(xiàn)象， 上部溢流筒口吸入的空氣量減少。

圖8 工況1 沿船長方向泥艙氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

圖9 工況1 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

作為參照， 對工況2 進(jìn)行數(shù)值模擬， 2 只溢流筒同時工作時的氣體體積分?jǐn)?shù)云圖見10。 2 只溢流筒同時工作時溢流筒內(nèi)都存在氣體， 但氣體分布和1 只溢流筒工作時有所區(qū)別， 1 只溢流筒工作時環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象比2 只溢流筒同時工作時環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象有所減緩， 上部溢流筒口吸入的空氣逐漸減小， 主要是由于進(jìn)口流量、 泥艙內(nèi)液面高度所決定的。

圖10 工況2 溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

4 結(jié)論

1)通過對溢流筒內(nèi)無環(huán)保閥、 環(huán)保閥水平夾角為45°、 環(huán)保閥水平夾角為30°共3 種工況的溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖分析可知: 在原來溢流筒中安裝環(huán)保閥可以明顯減少氣泡含量， 當(dāng)環(huán)保閥水平夾角在30°～45°范圍內(nèi)均可以減少溢流液中的氣泡含量， 尤其是當(dāng)環(huán)保閥水平夾角30°時環(huán)保溢流筒效果最佳。

2)通過對泥沙不同入口位置及完整泥艙溢流筒兩種工況的數(shù)值模擬， 可以得出耙吸船實際泥艙入口位置易在環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。 當(dāng)2 只溢流筒其中1 只溢流筒正常溢流， 另1 只溢流筒不工作時， 在環(huán)保閥上端產(chǎn)生空泡量比較少。