【正文】 們對(duì)耙頭挖泥機(jī)理的深入研究以及世界先進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展對(duì)疏浚技術(shù)發(fā)展強(qiáng)有力的推動(dòng)。這種耙齒由齒座、齒尖和插銷組成，齒座焊在耙頭活動(dòng)罩底部的橫檔上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)齒尖嚴(yán)重磨損影響挖泥效率時(shí)，拉出插鎖，齒尖可從齒座上拆下，換上新的齒尖，確保疏浚性能。還可據(jù)此算出相關(guān)的其他物理量，如旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、水力損失和效率等。CFD 因涉及大量數(shù)值計(jì)算，因此，常需要較高的計(jì)算機(jī)軟硬件配置。它是繼 PHOENICS 軟件之后的第二個(gè)投放市場的基于有限體積法的軟件。FLUENT 提供的用戶自定義子程序功能，可讓用戶自行設(shè)定連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程或組分輸運(yùn)方程中的體積源項(xiàng)，自定義邊界條件、初始條件、流體的物性、添加新的標(biāo)量方程和多孔介質(zhì)模型等。而且只需模擬耙頭入口水域，太大并沒必要，所以把水域改為 1250mm，深改成 500mm，耙頭口距池底 100mm。（二）在 gambit 中劃分初網(wǎng)格 [9]選中求解器 FLUENT5/6。16在 edges 選中耙頭入口邊，用按住 shift 鍵，鼠標(biāo)左擊耙頭的入口邊選中。在 file 中選 export 中，輸出 mesh 網(wǎng)格，在 file 中 save as 保存dbs 文件。平滑（和交換）網(wǎng)格平滑（和交換）網(wǎng)格是可以進(jìn)一步確保網(wǎng)格質(zhì)量的操作：Gridsmooth/swap 如圖 62：圖62 平滑網(wǎng)格的設(shè)置點(diǎn)擊 smooth 再點(diǎn) swap，重復(fù)上述操作，直到 FLUENT 報(bào)告中沒有需要交換的面為止。缺點(diǎn)是收斂時(shí)間比較長。表 62 雷諾平均模型的比較模型名字 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)SpalartAllmaras計(jì)算量小，對(duì)一定復(fù)雜程度的邊界層問題有較好效果。雷諾應(yīng)力模型 考慮的物理機(jī)理更仔細(xì)，包括了湍流各向異性影響。雙層區(qū)模型不依賴壁面法則，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)，特別是低雷諾數(shù)流動(dòng)很適合。(2)壓力入口(pressureinlet)：壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對(duì)計(jì)算可壓和不可壓問題都適合。如果流動(dòng)場和溫度場不是耦合的（沒有隨溫度變化的熱物性或者浮力影響），松弛因子就可以采用 1，所以這里的松弛系數(shù)值采用默認(rèn)。在 Gambit 中操作的時(shí)候也經(jīng)常會(huì)遇到的問題是：對(duì)耙頭內(nèi)部的邊網(wǎng)格和面網(wǎng)格設(shè)置后 ，再用對(duì)內(nèi)部的網(wǎng)格隱藏進(jìn)行耙頭外部的水域的網(wǎng)格的設(shè)置完，再去把內(nèi)部網(wǎng)格恢復(fù)時(shí)，出現(xiàn)問題，只出現(xiàn)邊網(wǎng)格，原來的耙頭內(nèi)部劃好的面網(wǎng)格卻顯示不出來，經(jīng)常出現(xiàn)這問題。根據(jù) FLUENT 的幫助文件，在 FLUENT 中使用非一致網(wǎng)格，如果你的多重區(qū)域網(wǎng)格包括非一致邊界，你必須遵循下面的步驟（首先要保證網(wǎng)格 FLUENT 中可用）以保證 FLUENT 可以在你的網(wǎng)格上獲取一個(gè)解。(3) 點(diǎn)擊創(chuàng)27建按鈕來創(chuàng)建新的網(wǎng)格界面。28圖74 面移動(dòng)的設(shè)置示意圖平時(shí)做出的改善:之前在 FLUENT 中，一階精度格式是缺省設(shè)置的計(jì)算格式，在實(shí)際計(jì)算過程中可以用它獲得初始流場，然后再提高計(jì)算格式精度，最后采用適應(yīng)性網(wǎng)格技術(shù)，采用這樣的計(jì)算策略，既可以保證計(jì)算的穩(wěn)定性，又可以獲得精度較高的流場計(jì)算結(jié)果。通過觀察耙頭吸泥管入口附近的速度矢量圖 79，耙頭設(shè)置的速度 ，之前是 7m/s。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。圖 710 壁面區(qū)3個(gè)子層的劃分圖三、壁面函數(shù)法上面提到的不能用 κε 模型來求解邊界層的流動(dòng)，現(xiàn)在有兩種方法為近壁面區(qū)域建模，其中一種方法并不對(duì)粘性力影響明顯的區(qū)域（粘性力層及過渡層）求解，采用被稱為“壁面方程”的半經(jīng)驗(yàn)公式來解決，壁面方程的運(yùn)用能夠很好地修正湍流模型，從而解決壁面的存在對(duì)流動(dòng)的影響。如果網(wǎng)格在對(duì)數(shù)區(qū)內(nèi)， y + 和 y*的值差不多大小。根據(jù) y+算出的 y+=(Δy/v)*(τ w/ρ) 1/2 值是 ，與有文獻(xiàn)推薦 y+為 作為粘性底層與對(duì)數(shù)率層的分界點(diǎn)差不多。之前設(shè)置的壁面的邊界層第一網(wǎng)格點(diǎn)距邊界的距離是 ，網(wǎng)格比例因子是 ，邊界網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為 7，這樣算出厚度是 左右。第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)布置在粘性支層之外。最后的網(wǎng)格收斂性還好，網(wǎng)格體積沒出現(xiàn)負(fù)值。圖 711 壁面函數(shù)處理時(shí)網(wǎng)格劃分示意圖其實(shí)對(duì)邊界層的設(shè)置是個(gè)不斷迭代的過程, 一個(gè)成功的湍流計(jì)算離不開好的網(wǎng)格。如果雷諾數(shù)增加，該點(diǎn)遠(yuǎn)離壁面。然而壁面方程法運(yùn)用在低雷諾數(shù)流動(dòng)區(qū)域卻并不理想，其所依賴的壁面方程的假設(shè)不再成立，在這種情況下，需要用低 Re 法來解決粘性力影響區(qū)域的流動(dòng)。二、黏性流體的邊界層之前已經(jīng)提過， 標(biāo)準(zhǔn) κε 湍流模型和 RNGκ ε 模型等都是針對(duì)充分發(fā)展的湍流才有效，也就是說，這些模型均是高 Re 數(shù)的湍流模型。實(shí)驗(yàn)表明，粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對(duì)速度成正比。修正與改善后的網(wǎng)格如圖 76，按照前面的前面大致的設(shè)置步驟，計(jì)算出的壓力云圖 77:29圖 75 改善后的殘差圖圖 76 耙頭附近的網(wǎng)格30圖 77 耙頭附近相對(duì)壓力云圖圖 78 總體速度云圖31圖 79 耙頭附近速度矢量圖從圖網(wǎng)格 76，修改后的網(wǎng)格根據(jù)速度的梯度，在耙頭的壁面層加密了網(wǎng)格，在耙頭入口對(duì)面的一段池底也是通過懸空節(jié)點(diǎn)的細(xì)化來加密了網(wǎng)格。入口有兩條邊，當(dāng)時(shí)一條邊設(shè)成速度入口，可另一條線卻沒設(shè)置，被默認(rèn)成 WALL，這樣出現(xiàn)錯(cuò)誤也成了想當(dāng)然。3. 在網(wǎng)格界面面板中定義非一致網(wǎng)格界面(Figure 1)，菜單為 Define/Grid Interfaces...。 由于耙頭出口的速度與自己設(shè)定的 偏差較大，接受了學(xué)姐的建議：之前所畫的耙頭水面上的出口是一條水平線，把它改成垂直吸泥管壁的一條直線，因?yàn)槌鰜淼哪J(rèn)是垂直出口邊，所以之前水平線出來的速度方向與耙頭內(nèi)的流速就方向不符了，因?yàn)槲喙苡袃A角。耙頭底部吸口邊的速度矢量圖如圖 610：圖 610 耙頭入口端的速度矢量圖根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，這樣的壓力分布不符合理論，而且入口處的速度的矢量角度變化不連續(xù)，速度大小過渡的也不連續(xù)，雖然 FLUENT 用的是離散化方法模擬現(xiàn)實(shí)中連續(xù)的物理量，但也不可能如這樣，如果在 fluent 中設(shè)置正確的話是不會(huì)出現(xiàn)這種情況的。根據(jù)耙頭模擬情況，把耙頭以上的水域線定義為壓力入口，把耙頭的水域上出口處的線定義為速度入口（因?yàn)闆]有可定義速度出口，故定義為速度入口，只需在待會(huì)指定速度之時(shí)，定義其為負(fù)值即可） 。如圖 64 設(shè)置：圖 64 湍流模型的設(shè)定選擇流體材料與外部環(huán)境(1)definematerials,點(diǎn)擊 ，選擇 ，這是液態(tài)水，加入流體數(shù)據(jù)庫中。表 63 幾種壁面處理方法比較優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)21標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)應(yīng)用比較多，計(jì)算量較小，有較好精度。RNG kε能模擬射流撞擊，分離流，二次流，旋流等中等復(fù)雜流動(dòng)。模型的其它的選擇為二維流場，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，絕對(duì)流速。耦合求解則可以用在高速可壓縮流動(dòng)，但對(duì)于高速可壓流動(dòng)，有強(qiáng)的體積力（浮力或離心力）的流動(dòng)，求解問題時(shí)網(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法，可以耦合求解能量和動(dòng)量方程，能比較快地得到收斂解。根據(jù)研究對(duì)象的物理特性與模擬需要，選擇的物理模型是有粘性、紊流、不可壓縮流體，無熱傳導(dǎo)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。17二、gambit 中邊界的設(shè)置對(duì)網(wǎng)格完成劃分之后，需要對(duì)耙頭的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。需要?jiǎng)h去多余的面，就點(diǎn)擊 delete ，選中該刪的面，點(diǎn)擊 apply.現(xiàn)在分析那些邊需要去邊加密以實(shí)現(xiàn)特殊處理，再對(duì)整個(gè)面進(jìn)行面加密。15再選中整個(gè)耙頭的輪廓及水域，右擊鼠標(biāo)。所以我們一般把其外形輪廓先在二維 CAD 或者三維 ProE 中先畫好，再導(dǎo)入 GAMBIT 中。FLUENT 使用 GAMBIT 作為前處型軟件，它可讀入多種 CAD 軟件的三維兒何模型和多種 CAE 軟件的網(wǎng)格模型。等值線圖：用不同顏色的線條表示相等物理量(如溫度) 的一條線，如圖 44。CFD 法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的計(jì)算誤差。二、計(jì)算流體力學(xué)的基本思想計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(putational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。但是小排量的高壓沖水因其水力動(dòng)能太小，無法將被切割下的泥砂與水充分?jǐn)嚮煨纬蓱腋顟B(tài)，達(dá)不到提高耙頭吸泥效率的目的，反而消耗了沖水泵功率。當(dāng)然，在耙頭的發(fā)展過程中，各個(gè)發(fā)展的國家都有自己研究的耙頭，且相互借鑒，互為推動(dòng)，促進(jìn)發(fā)展著。對(duì)于黏性土壤（黏土，軟礁石），要求用機(jī)械式挖掘，可由裝有齒或刀片的耙頭完成,如圖 33。在固定罩殼的中間上部設(shè)有一高壓沖水管，固定罩為方形喇叭口管，也作為耙頭的連接管。如今的耙吸式挖泥船還可用于圍海造田。因此，裝艙監(jiān)視儀、耙管位置顯示儀、產(chǎn)量計(jì)、挖泥斷面顯示儀的設(shè)置是必不可少的，這些設(shè)備的使用保證了挖泥船工作時(shí)的挖掘精度。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送泥漿。70 年代開始從荷蘭進(jìn)口了2 300 m3 耙吸式挖泥船。而在這艘耙吸式挖泥船出現(xiàn)后，帶有泥艙和耙吸管系統(tǒng)的挖泥船——耙吸式挖泥船也隨之出現(xiàn)了，它名字來源于 stab suction hopper dredger，是荷蘭疏浚工業(yè)重要發(fā)明之一。通常備有輕重不同類型的鏟斗，以挖掘不同性質(zhì)的土壤或石質(zhì)，硬土、石質(zhì)一般采用重型斗，軟質(zhì)采用輕型斗。目前國內(nèi)外挖泥船主要有絞吸挖泥船(斗輪挖泥船 )、耙吸式挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、鏟揚(yáng)式挖泥船等，下面簡單介紹一下各種挖泥船的工作特點(diǎn)。疏浚船舶向結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、能開挖堅(jiān)硬土質(zhì)、裝載量大、排距遠(yuǎn)、挖泥效能高的方向發(fā)展 [1]。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。研究的方法是運(yùn)用CAD與Gambit 軟件劃分網(wǎng)格，用 FLUENT計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算。CFD方法具有初步性能預(yù)測、內(nèi)部流動(dòng)預(yù)測、數(shù)值試驗(yàn)、流動(dòng)診斷、外型設(shè)計(jì)等作用。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。FLUENT軟件就是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。三、抓斗式挖泥船抓斗式挖泥船是利用旋轉(zhuǎn)式挖泥機(jī)的吊桿及鋼索來懸掛泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放人海底抓取泥土。另外泥耙的吊纜附設(shè)有波浪補(bǔ)償裝置，所以可在風(fēng)浪大的外海施工。起初，耙吸式挖泥船的耙吸管置于船體后部的泥艙內(nèi)，但不久則被移至船體兩側(cè)。目前世界上一些主要疏浚公司把大中型耙吸挖泥船作為挖泥船隊(duì)的主要組成部分，以追求最大利潤4率。高度智能化主要是指挖泥船作業(yè)的儀表化和自動(dòng)化。三、耙吸式挖泥船的應(yīng)用領(lǐng)域耙吸式挖泥船的應(yīng)用廣泛，在疏浚業(yè)被美名為“孺子?！?。活動(dòng)罩殼分別與固定罩殼用銷軸連接，活動(dòng)罩殼可在固定罩內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)45度角活動(dòng)罩與固定罩接合面外用橡膠密封，形成密閉通道。二、耙頭的選用選擇和設(shè)計(jì)耙頭，知道將要挖掘的土壤類型是非常重要的。第三階段是更新發(fā)展提高階段，高壓沖水的應(yīng)用，研究出了耙頭帶高壓沖水噴嘴，提高破土能力，可挖粘性土，同時(shí)變單活動(dòng)罩為雙活動(dòng)罩并軌，以加利福尼亞耙頭為代表。上世紀(jì)末荷蘭IHC、德國LMG、比利時(shí)JDL等著名 國際疏浚船制造商、工程承包商相繼推出了新型高效的主動(dòng)耙頭。9第四章 計(jì)算流體體力學(xué)（ CFD）的原理與應(yīng)用第一節(jié) 計(jì)算流體力學(xué)軟件的理論知識(shí)一、計(jì)算流體力學(xué)的產(chǎn)生背景在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展情況下，同時(shí)隨著數(shù)值分析理論的發(fā)展，高精度模擬得到實(shí)現(xiàn)，計(jì)算流體力學(xué)出現(xiàn)了。三、計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn) 正如上面計(jì)算流體力學(xué)的背景和基本思想的介紹，計(jì)算流體力學(xué)是建立在理論分析和實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，計(jì)算流體力學(xué)具有本身的以下的特點(diǎn)：流動(dòng)問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，理論分析很難求得解析解，而用 CFD 方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解。四、計(jì)算流體力學(xué)的求解步驟步驟求解如圖 41圖 41 五、計(jì)算流體力學(xué)的結(jié)果顯示通過上面的步驟，CFD 顯示和輸出計(jì)算結(jié)果有如下幾種：線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標(biāo)取為空間長度或時(shí)間歷程，將縱坐標(biāo)取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標(biāo)系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時(shí)間的變化情況，如圖 42。FLUENT 是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的 CFD 軟件之一。三、FLUENT 的求解器和處理軟件最新的 FLUENT 求解器的版本是 ，其主要功能是導(dǎo)入前處理生成的網(wǎng)格模型、提供計(jì)算的物理模型、確定材料的特性、施加邊界條件、完成計(jì)算和后處理。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，耙頭的吸泥管與水平線的夾角設(shè)為 38 度 [7]，繪出的耙頭如圖 51：圖 51 cad中耙頭輪廓二、CAD 中文件的導(dǎo)入在 cad 中設(shè)定面域 [8]。設(shè)置面域，點(diǎn)擊 operation 中 ，并在 geometry 中的 face，現(xiàn)查看所形成的三個(gè)面域是那幾個(gè)。在 edges 中如圖 52 設(shè)置：圖 52 邊網(wǎng)格的設(shè)定再設(shè)置耙頭內(nèi)部的面網(wǎng)格，點(diǎn)擊 operation 中 mesh 的 ，對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，spacing 設(shè)為 15。18第六章 FLUENT 中的數(shù)值計(jì)算第一節(jié) 在 fluent 中的具體操作因?yàn)?GAMBIT 是 FLUENT 的前處理軟件，在 GAMBIT 中處理完網(wǎng)格的劃分與邊界的設(shè)定之后，需要把保存的 msh 文件在 FLUENT 中根據(jù)自己要建立的模型繼續(xù)設(shè)置參數(shù)。確定長度單位點(diǎn)擊 gridscale