漩渦式垃圾收集裝置造渦構件槳葉設計分析

趙世發，李秀，竇培林，陳慧敏，孔令海，施琦

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100)

目前，觀光旅游景區、校園湖泊以及住宅小區的湖泊的漂浮垃圾環境污染非常嚴重，而對這些漂浮垃圾的清理主要是人工采用各種機械器具進行清理。市場上的水面垃圾清理裝置主要是打撈船或清掃船，這些機器體積龐大、造價昂貴、清理效率不理想，不適合于小型水域的垃圾清理[1]。為此，提出一種漩渦式水上垃圾收集裝置，使用于近海湖泊及魚塘池塘。與現有的垃圾清潔機器人相比，該水上漩渦式水上垃圾收集裝置結構簡單，采用自主設計的小型螺旋槳作為底部的造渦構件產生吸力，完成水面的垃圾收集，實現生態環境的保護。考慮到造渦構件的形狀及尺寸大小都對產生的漩渦大小有影響，造渦構件的葉片數量和葉片之間的角度差異都會產生出不同大小的漩渦，從而產生不同的吸力。為驗證造渦構件的設計合理性，采用數值模擬的方法分析相同角度下葉片數量對造渦構件受力的影響分析及相同葉片數量下角度對造渦構件受力的影響。采用三維建模軟件solidworks建立造渦構件模型，導入ANSYS的水動力模塊進行網格劃分和水動力計算，采用靜力學模塊對造渦構進行結構強度校核，驗證該造渦構件槳葉的設計可行性。

1 設計理論

1.1 造渦構件的升力線理論

造渦構件主要為螺旋槳槳葉，根據升力線理論，有兩種方法：①在確定葉片的徑向環量分布的情況下，對螺旋槳的螺距分布進行精確求解；②假定已經獲得螺距分布數據，對環量分布進行精確求解計算[2]。采用升力線理論的近似法進行理論設計，根據設計數據，對每個葉片上的水動力螺旋角進行設計計算。敞水螺旋槳運用在該造渦構件設計中的進速為

Va=V(1-w0)

(1)

造渦構件的進速系數為

(2)

造渦構件的吸力為

(3)

造渦構件槳葉的吸力系數為

(4)

式中：V為渦旋式造渦構件在動力作用下的上升或者下降的速度；w0為造渦構件半徑范圍內的有效伴流分數；n為造渦構件的轉速；D為造渦構件的直徑；Pe為有效功率；t為推力減額系數；ψ為造渦構件的軸系傾斜角；Rs為垃圾收集裝置的前進阻力；ρ為造渦構件所在的流體密度。

1.2 垃圾收集裝置穩性影響因素

在水面工作的漩渦式水上垃圾收集裝置應具有良好的穩性。改進浮體在水中良好穩性的方法有很多，比如，增大裝置入水靜矩和水面上相對應的慣性矩，也可以增大整個裝置的靜穩性臂與初穩性高；或者增大吃水和型深，或者降低整個裝置的重心等[3]。

1.3 漩渦原理

不同的漩渦產生的吸收力度大小不一樣，形成的漩渦半徑大小不一樣。對于理想流體，流體漩渦的切向速度滿足速度矩定理。對于黏性流體而言，漩渦中心區與漩渦外部的徑向速度及軸向速度也會相差很大，隨著漩渦半徑的減小，徑向流速的變化規律是先增大，后減小，在半徑的中點處會出現一個極大值。漩渦的速度計算如下[4]。

(5)

(6)

2 設計要點

2.1 整體裝置結構設計

利用建模軟件solidworks進行漩渦式水上垃圾收集裝置的主要結構設計，整體三維模型見圖1。在文獻[5]介紹的半自動滲透式水上垃圾收集系統的設計基礎上進行改進，提出垃圾收集裝置主要以下部的直立螺旋槳作為造渦結構，通過該造渦結構旋轉帶動周圍流體產生漩渦，無論是在層流流場中還是在湍流流場中，該造渦結構都應用該原理產生漩渦，從而將水面垃圾帶入垃圾收集筒體，實現水面漂浮垃圾的收集。該收集裝置上部模塊主要應用的是MSP430F149 為主控芯片，實現無線傳輸的指令控制[6]。

圖1 漩渦式水上垃圾收集裝置三維模型

2.2 造渦構件結構設計

漩渦式水上垃圾收集裝置采用的造渦構件為小型推進螺旋槳，造渦結構的三維設計模型和模型制作實物見圖2。

圖2 造渦結構的三維模型

采用solidworks建立造渦結構模型，見圖3。

圖3 增加外管架的三維模型

漩渦式水上垃圾收集裝置使用的造渦結構小型推進螺旋槳需要做諸多的改進，第一代產品的主要參數見表1。

表1 第一代漩渦式水上垃圾收集裝置造渦構件的主要參數

2.3 上部平臺設計

上部平臺主要由電氣控制模塊、視覺成像模塊、浮箱、收集平臺等部件構成。其中浮箱主要采用的材料為EPS泡沫板，尺寸大小為200 mm×200 mm×150 mm，該浮箱的主要功能是控制垃圾收集裝置的漂浮，垃圾收集裝置下部設有配重塊，可以根據實際需求調節配重塊的高度，調節整個垃圾收集裝置的重心高度。

3 槳葉選型設計分析

3.1 相同角度下葉片數量對造渦構件的影響

對造渦構件進行帶有外管架三維模型的設計，建立相關的數值模型，將solidworks零件模型另存為step格式，采用fluent水動力分析模塊進行網格劃分，進行靜止域、旋轉域設置，流體計算及相關數據分析[7]。湍流入口速度為10 m/s，轉速為20 r/s工況下，該造渦結構的在不同葉片數量下的受到的壓力狀況和相應的速度見圖4。

圖4 湍流入口流速為10 m/s，轉速為20 r/s的工況條件下造渦構件受壓狀況

在該工況下，造渦結構的靜壓力，動壓力和總壓力隨著葉片的數量增加而逐漸增大，在葉片數為3時，其數值為0.06、0.05、0.2 MPa，由于該造渦構件在湍流速度為10 m/s的工況下運行，處于高速運轉的狀態。所受到的總的平均壓力中，該造渦構件的平均壓力處于0.1 MPa，相對于4葉片、5葉片、6葉片的造渦構件受到的壓力，3葉片構件受到壓力最小。對于最大速度和各方向速度，在各葉片數量得變化的同時，最大速度也會波動，葉片數在3片的時候最大速度為7.5 m/s，相比于其他葉片數量產生的速度，該工況下的速度處于理想狀態，符合造渦構件的設計要求。

可見，在有外管架的結構下，該造渦構件選擇3片槳葉作為產生漩渦的結構最合理。葉片數為3片的工況下，葉片壓力云圖見圖5。

圖5 相同角度下葉片數量對造渦構件受力的影響及整體結構壓力云圖

如圖5所示，造渦構件在外界水流環境下外管架的前部以及造渦構件的葉片外部受到的總壓力以及靜壓力最大，總壓力及靜壓力的變化趨勢相同，這兩類型的壓力由外部到內部逐漸減小，由葉片頂部到葉片根部逐漸減小。由于水流的運動趨勢以及該裝置的豎直工作的特點，造渦構件受到的動壓力變化趨勢和總壓力、靜壓力的變化趨勢剛好相反，動壓力的值由葉片根部向葉片頂端逐漸增大，由外管架前部向外管架的后部逐漸增大。

3.2 相同葉片數量下角度對造渦構件的影響

湍流入口速度為10 m/s，轉速為20 r/s工況下，該造渦結構的在葉片數為3葉片夾角不同角度的狀態下，觀察該造渦構件受到的壓力狀況和產生的速度狀況，見圖6。

圖6 湍流入口流速為10 m/s，轉速為20 r/s的工況條件下造渦構件的受壓和速度狀況

造渦構件的葉片角度的變化范圍為15°到75°。受到的各應力在葉片角度為45°的時候最大，總壓力、靜壓力、動壓力以及平均壓力的大小分別為0.4、0.39、0.075、0.29 MPa。整個造渦構件在葉片角度為45°的時候，受到的各項壓力是最小的。而產生的速度范圍為9～23 m/s，其中在葉片角度為45°時候產生的速度分別為最大速度19 m/s、X方向的速度10 m/s、Y方向的速度為9 m/s、平均速度為11 m/s。雖然在葉片角度為30°的時候產生的是最大的，但是在該結構下受到的各種壓力相對于45°結構非常大。

以上結果表明，選擇葉片角度為45°的造渦構件結構最符合工作情況。外管架結構下造渦構件葉片角度為45°時的壓力云圖，見圖7。

圖7 相同葉片數量下角度對造渦構件的受力影響及整體結構壓力云圖

葉片角度為45°的結構，該造渦構件的外管架前部受到的總壓力最大，該壓力值從前部向后部逐漸減小，管架的后部受到的總壓力最小。葉片受到的總壓力由中部向頂部和根部逐漸變小。對于受到的靜壓力，外管架內部受到的靜壓力最大，由內部向外部逐漸減小。對于造渦構件受到的動壓力，管架前部和后部受到的動壓力最小。由于槳葉的轉動，槳葉所在處的動壓力最大，且由于槳葉轉動時和水流的相互接觸，槳葉的外部邊緣受到的動壓力最大，向槳葉內部逐漸減小。

4 槳葉結構強度校核

根據實際安裝情況對造渦結構進行結構強度分析，分別對結構轉速為20、25、30、35、40 r/s等幾個工況進行模擬，觀察該造渦結構的X、Y、Z向的最大等效應力和最大變形之間的變化關系，見圖8、9。

圖8 構件應力值隨造渦構件轉速的變化

該造渦構件的結構強度分析主要采用的是ANSYS軟件中的應力分析模塊，對導入導入的三位模型進行網格劃分，精細化網格尺寸，將外管架設置為固定模塊，給造渦構件一定的速度，使得旋轉葉片轉動，從而產生相對運動[8-9]。

圖9 各方向位移隨造渦結構轉速的變化

由計算結果可知，在造渦構件不同速度計算工況下，等效應力、最大應力、最小應力隨著造渦構件轉速的增加，相應的變化值從0.002 5 MPa增加到0.025 MPa。其中，最大應力的最大值為0.025 MPa，符合造渦構建的應力強度。其他的最小應力及等效應力，相應的數值也隨著造渦構件的轉速增大而增大，在轉速為20 r/s的時候各種應力的值最小。所以，在湍流入口流速為10 m/s的工況下，20 r/s的轉速的造渦構件設計符合結構強度要求。

該造渦構件在轉速為20 r/s工況下的應力云圖和各個方向的位移見圖10。

圖10 造渦結構整體結構受力云圖

該造渦構件的結構應力主要出現在槳葉根部，從根部到槳葉頂部結構應力逐漸減小。結構變形主要出現在造渦構件槳葉的頂部，由頂部到根部逐漸減小。由于該造渦構件為豎直工作狀態，所以Z方向的變形最明顯，X、Y方向的變形主要槳葉的頂端，Z方向的變形主要出現在外管架內部和外部。

5 結論

1)以環保性、安全性、經濟性等作為設計目標研發漩渦式水上垃圾收集裝置的布局合理，結構簡單，造價成本低廉，具有較好的實用性。將螺旋槳作為制造漩渦的構件應用于水上漂浮垃圾的收集，具有一定的前瞻性。

2)對于不同的水域環境，該收集裝置后續可以安裝不同的系泊裝置以及固定基礎以適應相應的水域環境。造渦構件可以增設轉速調節裝置，將整個垃圾收集裝置推向智能化。