【正文】 ........9第二節(jié) FLUENT 簡(jiǎn)介 .......................................................................................................................12第五章 GAMBIT 中耙頭二維流場(chǎng)的網(wǎng)格設(shè)計(jì) ................................................................................14第一節(jié) AUTOCAD 與 GAMBIT 的聯(lián)合使用 ...................................................................................14第二節(jié) GAMBIT 的網(wǎng)格劃分 ..............................................................................................................15第六章 FLUENT 中的數(shù)值計(jì)算 ........................................................................................................18第一節(jié) 在 FLUENT 中的具體操作 ......................................................................................................18第二節(jié) 耙頭二維的流場(chǎng)顯示 ............................................................................................................24第七章 對(duì)模型的的修正與改善 ..........................................................................................................26第一節(jié) 模擬流場(chǎng)的思考與改進(jìn) ........................................................................................................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(chǎng)的分析 .............................................................................................................38第一節(jié) 對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)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(lái)，隨著港口吞吐量的迅猛增加，船舶吃水量的增大，我國(guó)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(wú)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。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]。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(cè)量等工作，為此需要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間。而數(shù)值模擬以其自身的特點(diǎn)和獨(dú)特的功能，與理論分析及實(shí)驗(yàn)研究一起，相輔相成，形成了新的學(xué)科——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) [2]。本論文要做的就是通過(guò) 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(chǎng)的分布，來(lái)為耙吸挖泥船的發(fā)展提出自己的思考。目前國(guó)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(jiǎn)單介紹一下各種挖泥船的工作特點(diǎn)。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。鏈斗式挖泥船對(duì)土質(zhì)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可挖除巖石以外的各種泥土，且挖掘能力強(qiáng)，挖槽截面規(guī)則，誤差極小，最適用港口碼頭泊位。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。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。它通過(guò)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。由于耙吸式挖泥船船只大，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)；單船作業(yè)，輔助設(shè)備少，又是在行進(jìn)中挖泥，對(duì)周圍航行的船舶影響小；調(diào)動(dòng)靈活，現(xiàn)代的耙吸式挖泥船在船艏水線下安裝有橫向推進(jìn)器，掉頭也方便，所以非常適合在狹長(zhǎng)的航道和一定面積的港池中挖泥。第二節(jié) 耙吸式挖泥船的歷史與發(fā)展3一、國(guó)外耙吸挖泥船的歷史1895 年法國(guó)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。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(lái)源于 stab suction hopper dredger，是荷蘭疏浚工業(yè)重要發(fā)明之一。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)。之后，錨纜定位的挖泥船到自航式挖泥船又前進(jìn)了很大的一步。耙吸式挖泥船最早主要在美國(guó)使用，50 年代又重回荷蘭，并得到更大發(fā)展。70 年代開始從荷蘭進(jìn)口了2 300 m3 耙吸式挖泥船。集挖泥、裝泥和卸泥于一身, 是其他挖泥船所不能及。三、國(guó)內(nèi)外耙吸挖泥船的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外的耙吸挖泥船的發(fā)展很快，正朝著大型化、多功能化、高度智能化的方向發(fā)展。上世紀(jì)90年代以來(lái)，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(hào)已經(jīng)投入使用，艙容為13000m 3的自航耙吸挖泥船“通旭”號(hào)是目前國(guó)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(wú)限航區(qū)，配備了當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)的智能挖泥系統(tǒng)，施工過(guò)程可通過(guò)駕駛室遙控實(shí)現(xiàn)。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送泥漿。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(guò)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(rùn)。大型化、多功能化的耙吸挖泥船需要更加人性化的設(shè)置，也就是智能化的設(shè)計(jì)。由于疏浚作業(yè)時(shí)取土過(guò)程在水下，所以其操作過(guò)程不可見。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。 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(guò)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(lái)補(bǔ)償耙頭與海床接觸時(shí)耙頭與船體垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)耙吸式挖泥船也具有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（一）船體不在固定位置上工作，故沒(méi)有拋錨用繩纜，而可以自由移動(dòng)，這對(duì)于海港區(qū)域的疏浚是非常重要的； （二）耙吸式挖泥船非常適合遠(yuǎn)海疏浚作業(yè)。耙吸式挖泥船工作過(guò)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。如今的耙吸式挖泥船還可用于圍海造田。用耙吸式挖泥船來(lái)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。它主要由一個(gè)固定部分的罩殼作引流導(dǎo)管連同兩個(gè)并列可獨(dú)立活動(dòng)，并能自行調(diào)整角度的頭盔形罩殼組成。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。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。耙頭側(cè)還裝有橡膠靠旁，以免碰壞船側(cè)板。所以耙頭的工作原理歸結(jié)為沖刷，高壓沖水，機(jī)械切削，要提高耙頭性能就必須從這三個(gè)詞入手加7于解決。土壤的類型決定了挖掘過(guò)程是水力式還是機(jī)械式的。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。以考慮挖掘土壤的流動(dòng)因素選擇耙頭長(zhǎng)度。第二階段為改進(jìn)更新階段，耙頭并有耙齒真正實(shí)現(xiàn)了耙吸功能，可挖密實(shí)細(xì)沙及砂礫土。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。當(dāng)然，在耙頭的發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)發(fā)展的國(guó)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。但是如何更有效地改進(jìn)和選型，必須對(duì)耙頭的性能、疏浚機(jī)理較透徹地了解，否則將事倍功半。國(guó)內(nèi)外對(duì)耙頭所做出的改進(jìn)有這三方面：（一）帶有調(diào)節(jié)推桿或液壓油缸的主動(dòng)耙頭 隨著人們對(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)。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(duì)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。但是小排量的高壓沖水因其水力動(dòng)能太小，無(wú)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。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。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。在實(shí)際生產(chǎn)中，計(jì)算流體力學(xué)也是很有用的。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(jiǎn)稱 CFD)是通過(guò)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。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(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。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 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。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。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。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。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(zhǎng)度的箭頭表示速度矢量。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。11云圖：使用渲染的方式，將流場(chǎng)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。它是繼 PHOENICS 軟件之后的第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限體積法的軟件。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(lái)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。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。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]。FLUENT 提供的用戶自定義子程序功