【正文】 ..................................................................26第二節(jié) 耙頭邊界的 Y+自適應(yīng) ..........................................................................................................31第八章 耙頭二維流場的分析 .............................................................................................................38第一節(jié) 對流場的驗(yàn)證 ......................................................................................................................38第二節(jié) 耙頭外型的改善 ....................................................................................................................41第三節(jié) 不同流速下的速度與壓力流場分析 ....................................................................................46論文總結(jié) ..................................................................................................................................................49參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................................................50致 謝 ........................................................................................................................................................521第一章 引 言20世紀(jì)80年代以來，隨著港口吞吐量的迅猛增加，船舶吃水量的增大，我國的港口建設(shè)從原有的以港內(nèi)擴(kuò)建為主轉(zhuǎn)變?yōu)樵跓o掩護(hù)外海地區(qū)建設(shè)新港口、開辟新港區(qū)，相應(yīng)的沿海港口工程疏浚技術(shù)和疏浚裝備也取得了巨大的進(jìn)步。為了設(shè)計(jì)出高性能的流體機(jī)械，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)參數(shù)測量等工作，為此需要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間。本論文要做的就是通過 FLUENT 軟件模擬與計(jì)算耙吸挖泥船的重要部件——耙頭的內(nèi)部流場的分布，來為耙吸挖泥船的發(fā)展提出自己的思考。絞吸式挖泥船適宜于開挖沙質(zhì)土、淤泥等土質(zhì)較松的河底。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、卵石，宜抓取細(xì)砂、粉砂。它通過置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥、邊航行的方式工作。第二節(jié) 耙吸式挖泥船的歷史與發(fā)展3一、國外耙吸挖泥船的歷史1895 年法國為維護(hù) 港而制造出耙吸式挖泥船，如圖 21，這艘挖泥船裝有兩套耙吸管系統(tǒng)，由帶孔的管狀物與船體底部相連。最初，在挖掘 Nieuwe Waterweg 河時(shí)，利用泥艙里的管道輸送，耙吸管放在船體一側(cè)。耙吸式挖泥船最早主要在美國使用，50 年代又重回荷蘭，并得到更大發(fā)展。集挖泥、裝泥和卸泥于一身, 是其他挖泥船所不能及。上世紀(jì)90年代以來，10000m 3以上的巨型耙吸挖泥船已建成數(shù)十艘；楊德魯公司的33000m 3耙吸挖泥船，其挖掘深度可達(dá)130m；天津航道局投資建造的挖泥船“通旭”號已經(jīng)投入使用，艙容為13000m 3的自航耙吸挖泥船“通旭”號是目前國內(nèi)北方最大的耙吸式挖泥船，挖深達(dá)到45m，吹岸距離可達(dá)4000m ，具有無限航區(qū)，配備了當(dāng)前國際最先進(jìn)的智能挖泥系統(tǒng)，施工過程可通過駕駛室遙控實(shí)現(xiàn)。經(jīng)常會(huì)有一些挖泥船由于不能適應(yīng)某些工程作業(yè)而被閑置，于是提高挖泥船的利用率就成了合理的追求，其中一個(gè)重要的途徑就是通過較少的投資追加，使其具有一些附加功能，從而提高該船的利用率，增加額外利潤。由于疏浚作業(yè)時(shí)取土過程在水下，所以其操作過程不可見。 按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，耙吸式挖泥船具體裝備有下面幾部分，如圖 22：（一）帶有吸嘴的耙吸管，即耙頭，挖泥時(shí)用于耙吸海床； （二）泥泵，用于耙吸被耙頭耙松了的土壤； （三）泥艙，可堆存耙吸的泥水混合物； （四）溢流系統(tǒng)，用于排出泥艙裝艙過程中多余積水； （五）位于泥艙內(nèi)的底門，用于卸載泥水混合物； （六）位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管； （七）波浪補(bǔ)償器，用來補(bǔ)償耙頭與海床接觸時(shí)耙頭與船體垂直方向的相對運(yùn)動(dòng)。耙吸式挖泥船工作過程中不需要拋錨定位，因而不會(huì)給其它船舶的航行造成障礙。用耙吸式挖泥船來挖掘巖石在大部分情況下是不經(jīng)濟(jì)的，耙頭要求非常沉重，而且產(chǎn)量一般很低。在固定罩的下部設(shè)有耐磨塊與高壓沖水噴嘴，蓋形活動(dòng)罩的下邊緣鑲有易于更換的耐磨塊。耙頭側(cè)還裝有橡膠靠旁，以免碰壞船側(cè)板。土壤的類型決定了挖掘過程是水力式還是機(jī)械式的。以考慮挖掘土壤的流動(dòng)因素選擇耙頭長度。第四階段為繼續(xù)提高階段，大約是70年代IHC推出了主動(dòng)耙頭,可挖硬質(zhì)風(fēng)化巖石及板結(jié)砂土。但是如何更有效地改進(jìn)和選型，必須對耙頭的性能、疏浚機(jī)理較透徹地了解，否則將事倍功半。它是由調(diào)節(jié)推桿或液壓油缸主動(dòng)調(diào)節(jié)活動(dòng)罩，確保在不同深度下耙吸管角度變化時(shí)耙頭始終緊貼泥面，耙齒深入泥中，克服了常規(guī)耙頭依靠自重調(diào)節(jié)活動(dòng)罩而對硬土質(zhì)不起作用的缺點(diǎn)，在工程實(shí)踐中取得明顯效果。有些疏浚公司還采用20 MPa以上的超高壓沖水泵，專門用于珊瑚礁石的開挖。在實(shí)際生產(chǎn)中，計(jì)算流體力學(xué)也是很有用的。CFD 可以看做是在流動(dòng)基本方程( 質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動(dòng)的數(shù)值模擬。CFD 可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)，例如，選擇不同流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行物理方程中各項(xiàng)有效性和敏感性試驗(yàn)，從而進(jìn)行方案比較。10程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)與技巧。矢量圖：直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。11云圖：使用渲染的方式，將流場某個(gè)截面上的物理量用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布，如圖 46。用戶可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)，甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它的湍流模型包括 k－e 模型、Reynolds應(yīng)力模型、LES 模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、雙層近壁模型等 [5]。13FLUENT 公司除了 FLUENT 軟件外，還有一些專用的軟件包，除了基于有限元怯的 CFD 軟件FIDAP 外，還有專門用于粘彈性和聚合物流動(dòng)模擬的 POLYFLOW，專門用于電子熱分析的 ICEPAK，專門用于分析攪拌混合的 MIXSIM，專門用于通風(fēng)計(jì)算的 AIRPAK 等，各軟件包與求解器的關(guān)系如圖 47。一、在 AutoCAD 中耙頭二維模型以及周圍水區(qū)域的設(shè)置通過查找相關(guān)疏浚領(lǐng)域的耙頭尺寸 [6]，對于耙頭的吸泥管直徑以及吸入泥沙的流量都能過查實(shí)，只是剖面的開口尺寸卻難以查出，所以量取疏浚中心實(shí)驗(yàn)室中的耙頭的幾何尺寸，如下：剖面入口寬為250mm，吸泥管直徑為 90mm，模擬流量為 100m3/h，即出口速度為 。點(diǎn)擊工具欄中的工具面域 ，之后用鼠標(biāo)按住左鍵從右向左選擇耙頭及水域整個(gè)輪廓作為對象，命令欄中就有顯示有 3 個(gè)面域形成了。 是 cad 圖標(biāo)，之后 sat 文件圖標(biāo)就會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際情況，二維耙頭流場應(yīng)就有 2 個(gè)面域，一個(gè)是耙頭外的水域，第二個(gè)是耙頭內(nèi)的水域。因?yàn)榘翌^內(nèi)部流速更快，對耙頭內(nèi)部相對于外部的面網(wǎng)格設(shè)置更密一點(diǎn)。現(xiàn)在就是對耙頭外部網(wǎng)格的設(shè)置，對 進(jìn)行設(shè)置，隱藏耙頭內(nèi)部網(wǎng)格，如圖 53 一樣設(shè)置。對 specify continuum types 的設(shè)置，設(shè)置一 water 為 fluid，然后 apply。一、對耙頭模型的分析先對耙頭二維流場的具體情況加以分析如下：模擬該模型的目標(biāo)是：通過給定耙頭一個(gè)吸口速度，上面已經(jīng)給出 ，模擬出靜止的耙頭在水下二維壓力與速度的流場，更形象具體的了解到里面的速度與壓力分布，并對耙頭壁面邊界層速度的分布加深理解，且了解給出的吸口速度的變化對內(nèi)部流場的影響。具體步驟按表 61 進(jìn)行：打開 fluent 二維界面，點(diǎn)擊 file 下拉菜單，read 讀取 case 文件，打開已存好的 MSH 文件，讀入網(wǎng)格。建立求解模型FLUENT 求解方法的選擇有 3 種：非耦合求解， 耦合隱式求解 ， 耦合顯式求解。如果必須要耦合求解，但是機(jī)器內(nèi)存不夠，這時(shí)候可以考慮用耦合顯式解法器求解問題。隱式求解器比顯式求解器求解速度快，會(huì)占用更大的內(nèi)存。（2）由于沒有熱傳導(dǎo)，energy 不用設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn) kε應(yīng)用多，計(jì)算量合適，有較多數(shù)據(jù)積累和相當(dāng)精度。Realizable kε和 RNG 模型差不多，還可以模擬圓口射流問題。根據(jù)表 62 的比較，標(biāo)準(zhǔn) kε 模型更適合該模型。非平衡壁面函數(shù)考慮了壓力梯度，可以計(jì)算分離，重附及撞擊問題。 通過表 63 上面壁面處理方法的比較，耙頭問題是高 Re 數(shù)的問題，上面以算過了，計(jì)算量小，較好精度，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。22設(shè)置邊界條件FLUENT 軟件提供了十余種類型的進(jìn)、出口邊界條件，本課題只用到了其中的三種。(3)固壁邊界(wall) ：對于黏性流動(dòng)問題，F(xiàn)LUENT 默認(rèn)設(shè)置是壁面無滑移條件。點(diǎn)擊 defineboundary condition 進(jìn)行相應(yīng)邊的設(shè)置，如圖 65圖 65 邊界條件的設(shè)置求解流場點(diǎn)擊 Solvercontrols，根據(jù)用 segregated solver 求解能量方程， solvecontrolssolution 處定義松弛因子。24第二節(jié) 耙頭二維的流場顯示一、耙頭流場的顯示通過上面的具體操作，通過點(diǎn)擊 displaycontours，在 contours of 的下拉框中分別選擇 pressure 和velocity，顯示出的壓力云圖如 68，水面大氣壓處的相對壓力為 0，單位 pa。卻沒有考慮到兩個(gè)出口的橫截面大小不同，對于同是流量 100m3/h，流速應(yīng)該不同的。經(jīng)過平時(shí)的思考、交流與總結(jié)，做出下面幾點(diǎn)修正：把耙頭周圍水域放大至足夠遠(yuǎn)，使遠(yuǎn)處的流場趨于平靜不受影響。不過有一個(gè)更好的方法，就是把耙頭下吸口處邊從速度入口類型改成 interface 類型， interface 是兩個(gè)不同區(qū)域的分界面，分割兩種不同網(wǎng)格，流動(dòng)和傳熱在這個(gè)界面上直接傳送到另一個(gè)相鄰區(qū)域,它是從一個(gè)面到另一個(gè)面的數(shù)據(jù)（速度、壓力、溫度）交流處，正符合耙頭入口的需要，用來交流速度與壓力。2. 將網(wǎng)格讀入之后， 將組成非一致邊界的承兌區(qū)域的類型改為界面。（2）在界面區(qū)域的兩個(gè)列表中制定組成網(wǎng)格界面的兩個(gè)界面區(qū)域。所以在設(shè)置面網(wǎng)格的之前，做線網(wǎng)格時(shí)要選中屬于該面的那條線段，如果選錯(cuò)了或者重合在一起的兩條線都選了，就會(huì)出現(xiàn)問題，這是需要注意的。根據(jù)分析，是因?yàn)樵?CAD 中繪制耙頭時(shí)沒有注意到坐標(biāo)與耙頭的距離，以至于耙頭上的點(diǎn)坐標(biāo)非常大，有 108mm，而耙頭的實(shí)際尺寸卻只有 2022*600mm 的大小，所以坐標(biāo)軸是離得太遠(yuǎn)了，不利于在 FLUENT 中的數(shù)字顯示，所以在 Gambit 中作出如下設(shè)置。顯然在這里速度作為梯度自變量是一個(gè)合適的變量 [13]。根據(jù)圖 77，得出的壓力云圖的分布更加層次化，耙頭入口處的壓力的顏色過渡清晰，比起圖 68 的壓力分布更加清楚。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對滑動(dòng)速度，或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。此時(shí)我們可以近似地把流體看成無粘性的，這樣的流體稱為理想流體。湍流的特征則完全相反，流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無章，而且流場極不穩(wěn)定。接下來介紹近壁面流動(dòng)的特點(diǎn)：在壁面區(qū)，流體運(yùn)動(dòng)受壁面流動(dòng)條件的影響比較明顯，邊界層如圖從左到右可分為三層：黏性底層、過渡區(qū)、對數(shù)率層,如圖 710。湍流模型被修正，從而使壁面處受粘性力影響的區(qū)域也能用網(wǎng)格劃分來解決，這種方式被稱為低 Re 法 [15]。采用壁面函數(shù)時(shí)候的近壁網(wǎng)格第一網(wǎng)格到壁面距離要在對數(shù)區(qū)內(nèi)。FLUENT 在 y+ 時(shí)候采用層流（線性）準(zhǔn)則，因此網(wǎng)格不必要太密，因?yàn)楸诿婧瘮?shù)在粘性底層根本不起作用。針對本研究對象的高 Re 數(shù)，可采用壁面函數(shù)法。不過其實(shí)根據(jù)理論 y+布置在 3060，都是合理的，不一定必須是 。需要指出的是計(jì)算出來的 y + ，y*和Re 并不是只與幾何參數(shù)有關(guān)的固定量，它們也和最后的收斂解解有關(guān)系。通過不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)布置的邊界層網(wǎng)格越密，得到的 y+越理想 [16]。在第一網(wǎng)格點(diǎn)距邊界的距離（first row），網(wǎng)格比例因子（ Growth factor），邊界網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)（rows）輸入值，如圖 712圖 712 邊界層的設(shè)置示意圖注意：在選擇邊界時(shí)，由于在水下的大部分耙頭的吸泥管壁的兩側(cè)均有流體，所以邊界層的布置有兩種選擇，我們關(guān)心的是耙頭內(nèi)壁的邊界層分布，y+在理想的范圍就行。對于 y