耙吸挖泥船環保溢流筒不同角度環保閥數值模擬

石啟正， 鄭金龍

(中港疏浚有限公司， 上海200120)

由于耙吸挖泥船在裝艙過程中泥漿無法充分沉淀， 將會在泥艙頂部形成濁液， 并通過泥艙中的溢流筒從艙底排出。 由于排出的濁液含有大量氣泡， 加上濁液與船體、 螺旋槳之間的相互作用，濁液將長時間懸浮在水面上， 在船尾形成溢流擴散。 而當濁液排出泥艙后， 溶解在泥漿中的空氣會以氣泡的形式上浮到水體表面， 造成濁液長時間停留在水面， 不僅影響水面的環境， 甚至會造成海洋中的生物死亡。 隨著環保疏浚、 海洋環境保護的要求日益提高， 環保溢流筒技術受到越來越多的關注， 因此， 如何有效減少耙吸挖泥船的溢流擴散變得至關重要， 通過在耙吸挖泥船上安裝溢流消能裝置， 可以有效減少溢流液體中空氣含量、 降低對周圍水域的污染。

耙吸挖泥船的裝艙溢流過程屬于氣液兩相流動， 需要研究氣體與液體兩相介質在共同流動條件下的耦合規律[1]， 采用均相流模型對氣體與液體的物理性質和運動特性做合理的假設， 將其視為一種均勻的混合物， 假定計算單相模型的數學和物理方程依舊適用， 這種模型廣泛應用氣液兩相流模擬計算[2]。 因此研究環保溢流筒中不同角度環保閥位置的數值模型， 可有效控制施工區域溢流液中的污染物， 對于港口環境改善有很重要的作用。

1 溢流筒改造

溢流筒中的環保閥由耐磨閥板和支撐、 中間連桿、 長連桿結構和升降油缸、 支架結構以及線纜架組成。 耙吸挖泥船溢流筒改造、 設計需要考慮盡量利用原有結構， 長連桿的支撐均利用原有十字撐。

耐磨閥板是環保溢流筒的主要承載構件[3]，要求在滿載泥漿混合物時能夠提供足夠的強度和剛度以保持閥板的角度， 也要考慮其耐磨性。 當液壓油缸驅動長連桿、 帶動中間連桿將直線運動轉為閥板的繞軸開閉運動時， 另外也要考慮泥漿充滿溢流筒時閥板仍能正常工作。 原溢流筒由上部活動筒體及下部套筒組成， 下部套筒與三角艙相連固定。 一方面， 若上部活動筒體運動到泥艙較低位置， 考慮其布置空間， 環保閥安裝在活動筒體下部； 另一方面， 若將環保閥安裝在固定筒體底部， 連接桿強度和油缸驅動能力要相應提高。

2 數值模型及網格劃分

2.1 數值模型

本文采用CFX 中的均相流模型進行耙吸挖泥船裝艙溢流過程的數值模擬， 用以驗證環保閥減少空氣進入溢流筒的作用， CFX 中的均相流模型的基本控制方程如下:

連續性方程

能量方程

式中:W為質量流量； ρM為密度；vM為流速；A為流通面積；p為壓強； z 為位移； τo為流體與壁面的摩擦剪應力；Ph為控制體周界長度(在圓管中Ph=πD)；g為重力加速度； θ 為流速方向與水平方向的夾角；G為質量流速；vn為比容；F為單位質量的能力損失。

2.2 搭建模型及網格劃分

泥艙幾何模型根據萬方耙吸挖泥船泥艙及參數建立， 但為了后面數值模擬方便， 且不影響整個數值模擬的準確性， 需要在以下幾個方面進行修改。 1)實船上有2 個溢流筒， 且溢流筒沿泥艙中縱剖面對稱分布。 為了減少計算量， 可以根據對稱性原理建立模型， 只對半個泥艙進行模擬分析。 2)疏浚管路共2 套， 只要對其中1 套疏浚管路進行模擬計算。 疏浚管內徑為1.2 m， 換算成面積為1.13 m2， 模擬時簡化為一個邊長1 m 的正方形， 但兩者的進艙流量保持相同， 取總進艙流量的一半， 為12 600 m3∕h。 由于進口面積略有不同，進艙時的流速也略有不同， 但是進口離溢流筒的距離甚遠， 加上兩者的流速相差本來就不大， 因而面積不同帶來的影響可以忽略。 3)在實船上，溢流筒高度可以上下調節， 但在數值模擬中取固定值為12 m。

泥艙模型見圖1。 泥沙從左側入口進入， 由溢流筒底部的出口流出。 圖1 中粗實線框出對稱面，在實船上泥艙和溢流筒沿該面對稱分布。 在進行數值模擬時， 將該面的邊界條件設置為symmetry，溢流筒入口附近的網格見圖2， 溢流筒入口附近及環保閥附近是流動變化最為明顯的地方， 因而環保閥附近網格需要進行加密處理， 并在環保閥壁面設置邊界層[4]。 模擬計算之前， 以閥板與水平方向的夾角為45°時為例， 截取環保閥附近的網格， 見圖3。 對環保閥附近的網格進行了加密處理， 總體網格數量為2 183 602。

圖1 泥艙模型

圖2 溢流筒入口附近網格

圖3 環保閥附近的網格

3 數值結果分析

3.1 泥沙從泥艙左側入口進入

本節數值模擬主要是為了驗證環保溢流筒應用于實船上的效果， 也為指導環保溢流筒實船操作打下基礎。 在圖4 中， 依次為泥艙溢流筒內無環保閥、 環保閥水平夾角為45°、 環保閥水平夾角為30°時的溢流筒內氣體體積分數云圖。 從圖4 可以看出， 溢流筒內未安裝環保閥時， 溢流筒內存在較大的氣體含量； 在環保閥水平夾角為45°時，溢流筒內也存在大量氣體， 但是相對于無環保閥氣體含量明顯減少； 直到環保閥水平角度達到30°時， 溢流筒內氣體含量顯著減少， 且比無環保閥、環保閥水平夾角為45°的氣體含量明顯降低[5]。

圖4 泥沙入口位于泥艙左側時泥艙及溢流筒中氣體體積分數云圖

為了進一步詳細了解溢流筒內部情況， 在溢流筒內每隔1 m 截取一個平面， 每個截面上均勻取500 個點， 取截面各個點平均值為截面氣體體積分數， 以各截面氣體體積分數的平均值為溢流筒內的氣體體積分數， 得到3 種情況時溢流筒內氣體體積分數的數值， 見表1。

表1 溢流筒內氣體體積分數值

從表1 可以看出， 安裝環保閥后溢流筒內的體積分數還是有所減少， 尤其是在環保閥水平夾角為45°時僅減少了10.5%。 而在環保閥水平夾角為30°時減少了37.3%， 明顯比環保閥水平夾角為45°時氣體體積分數減少量多且效果顯著， 也進一步證實了安裝環保溢流筒確實有助于減少溢流液中的氣泡含量。

3.2 泥沙從泥艙中間位置進入

在3.1 的數值模擬中， 將入口的位置設置在泥艙的最左側， 但在船舶實際裝艙過程中， 耙吸挖泥船通過泥泵， 經過疏浚管道將泥沙混合物輸送到泥艙， 疏浚管道位于泥艙的正上方， 泥沙由泥艙上方進入泥艙。 為了更精確地模擬環保溢流筒實船應用情況， 先將模型中的泥沙入口位置移到接近泥艙中間位置(圖5)， 觀察該種情況下泥艙內的氣體分布情況[6]。

圖5 泥沙入口位于中部時泥艙模型

將疏浚管入口移至泥艙中間時， 分別模擬了溢流筒內不安裝環保閥和環保閥水平夾角為45°兩種情況， 其數值模擬結果見圖6。 在溢流筒內未安裝環保閥時， 入口位置在泥艙最左側和泥艙中間時氣體體積分數分別為0.175 6%和0.151 4%， 氣體體積分數略有減??； 當環保閥水平夾角為45°時， 將泥沙入口位置由最左側變為中間時， 如圖6c)所示， 環保閥上端會有空泡現象產生， 溢流筒內的氣體體積分數會有所增大， 由此可見泥沙入口位置會對實船安裝環保閥的效果有所影響。

圖6 泥沙入口位于泥艙中間時泥艙及溢流筒氣體體積分數云圖

3.3 完整泥艙模型

在3.2 數值模擬中， 泥艙內只由1 個溢流筒構成， 溢流筒的附近即為艙壁； 但在實際上耙吸挖泥船泥艙內有2 個溢流筒， 在泥沙溢流時2 個溢流筒之間流態會存在相互影響。 在耙吸挖泥船裝艙溢流時， 操作人員會根據施工的實際情況，選擇僅使用其中之一或者同時使用2 只溢流筒[7]，所以應搭建完整的耙吸挖泥船泥艙模型， 見圖7。模擬工況可以分為2 種情況: 1)工況1。 其中1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉。2)工況2。 2 只溢流筒同時工作。

圖7 2 只溢流筒的泥艙模型

工況1 僅讓1 只溢流筒正常溢流， 將另1 只溢流筒的底部封閉， 泥艙模型見圖7， 溢流筒和入口位置與耙吸挖泥船實船泥艙保持基本一致。溢流筒內的氣體積分數云圖見8、 9。 通過圖8、9 可以看出， 封閉的筒內幾乎不存在任何氣體，正常工作的筒內存在大量的氣體， 而且環保閥上端會產生空泡現象， 上部溢流筒口吸入的空氣量減少。

圖8 工況1 沿船長方向泥艙氣體體積分數云圖

圖9 工況1 溢流筒內氣體體積分數云圖

作為參照， 對工況2 進行數值模擬， 2 只溢流筒同時工作時的氣體體積分數云圖見10。 2 只溢流筒同時工作時溢流筒內都存在氣體， 但氣體分布和1 只溢流筒工作時有所區別， 1 只溢流筒工作時環保閥上端產生空泡現象比2 只溢流筒同時工作時環保閥上端產生空泡現象有所減緩， 上部溢流筒口吸入的空氣逐漸減小， 主要是由于進口流量、 泥艙內液面高度所決定的。

圖10 工況2 溢流筒內氣體體積分數云圖

4 結論

1)通過對溢流筒內無環保閥、 環保閥水平夾角為45°、 環保閥水平夾角為30°共3 種工況的溢流筒內氣體體積分數云圖分析可知: 在原來溢流筒中安裝環保閥可以明顯減少氣泡含量， 當環保閥水平夾角在30°～45°范圍內均可以減少溢流液中的氣泡含量， 尤其是當環保閥水平夾角30°時環保溢流筒效果最佳。

2)通過對泥沙不同入口位置及完整泥艙溢流筒兩種工況的數值模擬， 可以得出耙吸船實際泥艙入口位置易在環保閥上端產生空泡現象。 當2 只溢流筒其中1 只溢流筒正常溢流， 另1 只溢流筒不工作時， 在環保閥上端產生空泡量比較少。