耙吸挖泥船環(huán)保閥溢流效果試驗與數值分析

于 鼎， 余 龍*， 石啟正， 鄭金龍， 隋 毅， 趙子鑒， 毛涵宇

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 a.海洋工程國家重點實驗室；b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協同創(chuàng)新中心， 上海 200240；2.中港疏浚有限公司， 上海 201300)

0 引 言

耙吸挖泥船具備較強的抗風浪能力[1]，在疏浚作業(yè)時采取行進中挖泥的方式，集挖泥、裝泥和卸泥多種功能為一身，無需其他船只輔助，不會影響周圍船舶航行[2-3]。在挖泥過程中，耙吸挖泥船船尾往往會形成嚴重的溢流擴散，對周圍水域和海洋生物造成重大影響。有效減少耙吸挖泥船溢流擴散一直是研究熱點。李云旺等[4]在多賓斯-坎普(DOBBINS-CAMP)模型中引入動態(tài)參數，對溢流損失進行預測和估算，提出簡化的溢流損失動態(tài)分析模型；徐昶等[5]通過模型試驗模擬裝艙溢流施工過程，以艙內流速、艙內濃度、溢流進出口泥沙粒徑等為主要控制因素，比較常用裝艙裝置的消能效果；張忱等[6]通過裝艙溢流物理模型測量裝艙結構和溢流裝置在不同組合時裝載量和流場分布等隨時間的變化，得到有益于泥沙沉淀的裝艙溢流組合；王培勝等[7]對泥艙系統(tǒng)進行動態(tài)建模，預估泥艙溢流量和溢流密度，并用實船裝艙質量對溢流密度進行驗證；趙津京等[8]采用MIKE3模型模擬不同工況下的泥沙裝艙過程，分析不同工況下的艙內泥沙分布和裝艙容積曲線，將模擬結果與測艙數據進行比較，發(fā)現該模型可較好地模擬泥沙沉降、懸浮等運動過程；SAREMI等[9]和SAREMI[10]對有無環(huán)保閥時溢流筒內氣體體積分數進行對比，發(fā)現環(huán)保閥在特定角度時可有效減少空氣進入混合液； DECROP等[11]發(fā)現在常規(guī)情況下，環(huán)保閥可高效地減少溢流在海面的擴散，但其效率會受到環(huán)保閥至船尾的距離、溢流筒直徑、溢流濁度、濁液通過環(huán)保閥的相對速度等因素的影響。

通過模型試驗和計算流體動力學(Computational Flaid Dynamics, CFD)數值模擬的方法，建立一種氣液兩相流模型，計算并驗證環(huán)保閥的作用效果。通過模擬計算得到進口流量、泥艙內液面高度、環(huán)保閥角度之間的數學關系，提出根據進口流量調節(jié)閥板角度的控制策略，建立疊加式溢流筒的數值分析模型。

1 氣液兩相流模型

在耙吸挖泥船裝艙溢流時，流動過程存在如下特點：兩相流的上表面與空氣直接接觸，形成自由液面；在兩相流進入溢流筒時，大量空氣會因壓差進入溢流筒，并由水流帶動從溢流筒底部排出，若忽略少量由于浮力上浮的氣泡，可認為氣液兩相具有相同的速度；在溢流過程中氣液兩相處于完全相同的環(huán)境，兩相溫度相同，彼此之間沒有熱力交換。根據上述特點，采用均相流模型進行耙吸挖泥船溢流過程的模擬，用以研究和驗證環(huán)保閥減少空氣進入溢流筒的作用，并通過模型試驗與數值模擬的對比，驗證該模型的準確性?；究刂品匠倘缦拢?/p>

連續(xù)性方程

W=ρMvMA=C

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

式(1)～式(3)中：W為質量流量；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為質量流速；vn為比熱容；dF為流體沿管流動的摩擦生熱；C為常數。

數值模擬過程中的流動模型選擇均相流模型，自由表面模型采用標準選項，湍流模型選擇常用的k-ε模型，壁面函數為Scalable。

2 環(huán)保溢流筒模型試驗

2.1 試驗目的與主要儀器

試驗主要模擬裝艙溢流過程，使用高速攝像機拍攝環(huán)保閥附近的氣體分布圖像，通過8個電導率傳感器測量溢流筒(見圖1)內不同位置上的氣體體積。電導率傳感器(見圖2)彼此之間間距2 cm。

圖1 溢流筒模型 圖2 溢流筒內的電導率傳感器

試驗儀器主要還有泥艙內流速儀、水下高速攝像機、進艙出艙流量計等。泥艙及溢流筒的筒體由透明有機玻璃制成，可觀察溢流筒內環(huán)保閥的閉合狀態(tài)與氣體體積分布。

2.2 試驗條件

在模型試驗中進行不同條件下多組測試，包括進艙流量(70～120 m3/h)、環(huán)保閥高度(距艙底26.7 cm、41.7 cm、56.7 cm)和環(huán)保閥角度的變化(水平夾角為20°、30°、45°、60°、75°)。當筒內不設環(huán)保閥時，進行3組不同入口流量的試驗。

2.3 試驗數據處理及分析

由模型試驗得到的結果主要有兩種：一是攝像機拍攝的圖像，可直接進行觀察；二是電導率傳感器測得的各個點上的電導率。電導率在一定程度上可反映氣體體積分數的大小，但是需要對測得的電導率進行一定換算，將其轉化為筒內氣體體積分數C，換算公式為

(4)

式中：RP為測量電極置于所述被測液體中的電阻值；R0為測量電極置于不含氣的所述被測液體中的電阻值。試驗中測得的為電導率，電阻等于電導率的倒數。

在試驗中發(fā)現，電導率傳感器8測得的數值與其他相差較大，因而認為該傳感器的測量精確度存在一定問題，只取其他7個傳感器測得的數值。換算后得到各點的體積分數如圖3所示。

圖3 模型試驗不同角度時氣體體積分數散點

由圖3可知：當溢流筒內裝有環(huán)保閥時明顯減少溢流筒內的氣體含量，各點的氣體體積分數明顯下降至0.1～0.3。由圖3可發(fā)現：當環(huán)保閥水平夾角為30°和45°時，溢流筒內的氣體含量明顯減少；但達到45°后，繼續(xù)增大環(huán)保閥角度不能再明顯減小溢流筒內的氣體含量。

3 試驗尺度的數值模擬

3.1 幾何與網格

對應模型試驗，建立完整的泥艙模型，如圖4所示。泥艙長為5.000 m，寬為1.650 m，高為1.350 m；溢流筒圓柱形部分直徑為0.300 m，高為0.800 m；開口部分最大直徑為0.600 m，高為0.083 m；溢流筒底面中心點距兩側壁面分別為0.800 m 和0.445 m。來流從右側開口進入，從溢流筒底部排出。為了更好地與模型試驗進行比較，在溢流筒內部設立相應測量點(對應模型試驗中傳感器的位置)，溢流筒內部網格如圖5 所示。

圖4 泥艙與溢流筒幾何模型

圖5 溢流筒內部網格

3.2 與模型試驗的對比及誤差分析

3.2.1 無環(huán)保閥時誤差分析

在未安裝環(huán)保閥時，溢流筒中間受邊界干擾較小的1～4號測量點的體積分數如圖6所示，模型試驗結果與數值模擬接近。

圖6 無環(huán)保閥時氣體體積分數散點

3.2.2 有環(huán)保閥時誤差分析

在安裝環(huán)保閥后，溢流筒內的氣體體積分數顯著減小，當環(huán)保閥水平夾角為30°與45°時，不同測量點上的氣體體積分數如圖7所示。

圖7 氣體體積分數散點

數值模擬基本反映模型試驗的規(guī)律，安裝環(huán)保閥后溢流筒內的氣體體積分數明顯減小。數值模擬結果偏小的原因在于：試驗采用的電導率傳感器的結構尺寸較大，導致水流與傳感器結構發(fā)生相互作用，產生一定量的氣泡干擾。

4 環(huán)保閥效果驗證及控制策略

在耙吸挖泥船裝艙實際溢流過程中，根據進艙流量的不同，調整環(huán)保閥的開閉角度，可使艙內水位保持在一個比較合理的高度，不僅能保證裝艙溢流效率，而且能減少空氣進入溢流筒。為得到具體的控制策略，對試驗尺度的環(huán)保溢流筒模型采用氣液兩相流模型，進行不同流量、不同角度時的CFD數值模擬。進口流量分別取80 ～120 m3/h，在不同環(huán)保閥角度(水平角度為0°、30°、45°、60°)時分別計算，得到不同條件下溢流筒內氣體體積分數和液面高度。

4.1 計算結果及分析

圖8為當入口流量為90 m3/h時，在不同環(huán)保閥角度下氣體體積分數云圖。由圖8可知：在保持入口流量不變時，若未安裝環(huán)保閥，溢流筒內部會充滿大量的氣體；當環(huán)保閥水平夾角為60°時，溢流筒內的氣體有所減少，泥艙內的液面高度也有所上升；當環(huán)保閥水平夾角為30°或45°時，溢流筒內的氣體明顯減少，氣體主要集中于入口與環(huán)保閥左上角，泥艙內的液面高度也較60°時有明顯上升，但30°與45°之間變化不大；隨著環(huán)保閥角度增加，雖然從上部吸入的空氣減小，但是環(huán)保閥形狀造成的空泡現象加劇。

圖8 入口流量為90 m3/h時氣體體積分數云圖

4.2 泥艙內液面高度的控制

為明確環(huán)保閥水平夾角在45°～60°時泥艙內水位高度的變化規(guī)律，進行閥板與水平成50°或55°時的數值模擬，得到的進艙流量、水位高度和環(huán)保閥水平夾角之間的數據如表1所示，獲得的控制曲線如圖9所示。

圖9 泥艙內水位高度關系

5 疊加式溢流筒數值模擬

5.1 幾何模型

近年來，荷蘭IHC公司開發(fā)一款塔式環(huán)保溢流裝置“Plumigator”，頂部為開口形式，模型如圖10所示。在單筒的數值模型基礎上，拓展溢流筒為兩筒疊加式和三筒疊加式，與國外產品不同的是，此疊加模型頂部封閉，如圖11和圖12所示。

圖10 塔式環(huán)保溢流裝置“Plumigator”

圖11 兩筒疊加式模型

圖12 三筒疊加式模型

5.2 數值模擬結果

三筒疊加式溢流筒內氣體沿中間筒壁流出，氣體含量最少，具有顯著效果，如圖13所示。

圖13 三筒疊加式氣體體積分數云圖

5.3 計算結果分析

3種溢流筒在相同進艙流量(80 m3)下進行數值模擬，取8個測量點的數據進行處理對比，得到3種溢流筒的氣體體積分數散點，如圖14所示，可以看出：單溢流筒、兩筒疊加式和三筒疊加式的氣體體積分數分別集中在0.4～0.6、0.2～0.3和0～0.1。 兩筒疊加式的氣體體積分數相對單溢流筒減少47.8%，三筒疊加式相對減少89.1%，下降效果顯著。

圖14 3種溢流筒的測量點氣體體積分數散點

6 總 結

通過CFD數值模擬與模型試驗相結合的方式，研究環(huán)保閥對減少空氣進入溢流筒的作用，并建立根據進艙流量合理調節(jié)環(huán)保閥角度的策略。主要成果如下：

(1) 根據耙吸挖泥船裝艙溢流的特點，建立模型試驗尺度下溢流過程的氣液兩相流模型，并通過模型試驗結果驗證。

(2) 通過CFD數值模擬得到進艙流量、環(huán)保閥角度、泥艙內液面高度之間的關系，繪制環(huán)保閥角度控制曲線。

(3) 改進和建立疊加型溢流筒模型，驗證三筒疊加模型溢流筒模型具有較好的效果。