耙腔流场分析与结构优化.pdf
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1、 年 月水运工程 第 期 总第 期 耙腔流场分析与结构优化陈 浩 孙守胜 李章超 王晓萌 张路生(.中交天津航道局有限公司 天津.天津市疏浚工程技术企业重点实验室 天津 .中交(天津)疏浚工程有限公司 天津)摘要:针对耙吸挖泥船的耙头在挖掘黏土时 其内部流场情况不明晰的问题 本文对耙腔内部流场进行了仿真计算、分析及优化 采用计算流体动力学()值模拟计算技术 分析新老耙头的总压差、静压差及截面流速的变化情况 得出设置反弧形导流板后 腔体内部漩涡区域减少 能量损失降低 清水流动性能提高 结果表明:新耙头内部设置流线型腔体 可使流动平顺 输送阻力降低 截面流速趋于合理 其各项性能均优于老耙头关键词:
2、耙头 耙腔 流场 导流板中图分类号:文献标志码:文章编号:().收稿日期:作者简介:陈浩()男 硕士 高级工程师 从事疏浚相关技术及设备的研究 黏土耙头计算模型中交天津航道局有限公司独立自主设计了两款黏土耙头 建立了符合计算要求的耙腔仿真模型 为降低模型计算量 一些细节做了简化处理耙腔流场计算简化模型见图 假设耙头吸口与泥土接触 防磨块压在泥土上 流体仅从耙齿后方的空隙进入耙腔 在耙腔进口区域的外部水体设置一个较大的自由出流边界见图 区域 模拟耙腔外部水体 区域为耙腔中活动罩内部腔体 按实际结构尺寸进行建模 部分内部结构简化处理 区域为反弧板区域 同时增加了内部封闭腔体 此处可以作为格栅防堵喷
3、嘴的水箱使用 区域为耙腔固定体内部腔体 按实际结构尺寸进行建模 区域为耙腔出口延长区域 保证流体出流时的稳定流态 水 运 工 程 年图 黏土耙头流场仿真示意 三维建模与网格划分.三维建模建立耙腔外部水体和耙腔三维模型 真实模拟耙腔内流体 从腔体外部进入耙腔到流出的整个过程 并对部分结构进行简化处理 外部水体区域为 耙头出口外流场区域做加长处理以减小数值模拟误差 长度为 .网格划分通过流体仿真计算软件 对耙腔内部流场三维模型进行非结构网格划分 生成老耙头的网格总数量为 万个 新耙头网格总数量为 万个 加装导流板的三维模型划分网格后老耙头网格总数为 万个 新耙头网格总数为 万个 见图 图 耙头腔体
4、内的流体网格划分.数值模拟计算任何流体问题都要满足质量守恒方程 即连续性方程 在直角坐标系中的微分形式如下:()()()z()同样任何流体系统必须满足动量守恒方程在直角坐标系中的微分形式 即 方程如下:zzzzzzzzzzzz()式中:为时间变量 为流体的密度、z为质量力 为法向应力(压力)、为速度分量、z为空间坐标 为湍流系数 为耗散率 由于该计算中不涉及热传导的问题所以不涉及热导方程 方程是描述流体运动的方程 它和流体的连续性方程一起构成流体流动的基本控制方程 模型是一种湍流模型 是工程流体计算中 第 期陈 浩 等:耙腔流场分析与结构优化的主要工具 是实验现象中的半经验公式 由于该经验公式
5、在计算强漩流、弯曲壁面或弯曲流线流动时 会产生一定的失真 为此 提出了修正方案 本模型中采用的是 模型如下:()()()()()()()式中:为平均速度梯度引起的湍动能产生项为浮力引起的湍动能 的产生项 为可压缩湍流中脉动扩张的贡献、和 为经验常数 和 为用户定义的源项 对于耙头 数值解法采用 解法 由于采用诸多假设和简化 所以二阶精度足以满足计算要求 各离散项均采用二阶精度 老耙头计算结果与分析.边界条件及计算模型整个流场的介质为水 压力为 湍流模型为 模型 入口设置为自由出流 给定的压强值为基于速度垂直方向分量的总压 耙头固定体出口处的圆形端面设定为速度边界 出口设置为标准速度出口 速度设
6、置为 管径为 流量约 万 其它壁面全部设定为墙面 为无滑移壁面耙腔内流动的介质设定为单一介质清水 通过清水流场即可反映耙腔内部结构线型的优劣在不考虑泥土影响的情况下 该流体属于不可压缩流体 即密度不随时间变化而变化 另外 耙头清水流场模拟计算属于大空间的模拟计算 重点在非边界层的区域 所以边界层可以忽略 求解格式设置为高级求解模式()最大迭代设置 步 收敛最大残差值设置为 计算到相应步数时收敛 计算结束 选取典型截面分析计算结果 见图 图 典型截面选取.老耙头加装导流板前后计算结果由表 可知 从耙头进口处到出口处 其进口和出口对应截面 和 老耙头总压力差 老 耙 头 加 装 导 流 板 后 总
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