漂浮垃圾收集裝置造渦構件水動力性能研究

趙世發,李 秀,竇培林,陳慧敏,孔令海,施 琦

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,鎮江 212100)

螺旋槳在船舶與海洋工程領域的使用非常廣泛,其主要作為船用推進器或者動力定位側推器,目前已有多種方法和技術可用于螺旋槳水動力性能的研究.文中的漂浮垃圾收集裝置造渦構件與一般的水平方向的推進螺旋槳有所不同,該造渦構件的主要目的是產生漩渦吸力,將水面漂浮垃圾收入收集器.核心部分是造渦構件的豎直放置,在垂直于水面的方向產生水流運動,從而產生吸力.文獻[1]使用軟件STAR-CCM+數值仿真分析高速船舶螺旋槳在斜流工況下的水動力性能,結果表明在大斜流、高速度的狀況下會產生較大的橫向力以及橫向力矩,該研究的重點是螺旋槳在橫向力及橫向力矩方面的探索,螺旋槳處于豎直方向的研究并未涉及.大部分學者對于螺旋槳的研究僅僅局限于高速船舶及大型船舶方面,比如文獻[2]研究提高螺旋槳的推進效率的方法,結果表明增加助推器在原有基礎上推進效率提高了9.113%.文獻[3]利用開源軟件Open FOAM對E779A螺旋槳在斜流作用狀態進行數值仿真分析,結果表明斜流作用對螺旋槳造成一定的干擾,槳葉面的壓力差越小,該螺旋槳的推進性能就越差.文獻[4]使用STAR-CCM+軟件進行了非均勻流的空泡模擬,準確再現了空泡的產生、發展以及消滅,使用該方法可以有效模擬螺旋槳在空泡狀態下的運動狀態.文獻[5]針對螺旋槳空泡壓力分布規律,提出了3種有關空泡模擬的方法,為后期船舶振動預報控制提供了現實基礎.文中豎直方向的造渦構件在不同來流狀態下產生一定的漩渦吸力,相對于非均勻流的空泡模擬,將吸力的產生原理作為切入點實現水面漂浮垃圾的收集工作.還有學者對螺旋槳在不同來流的狀況下進行研究,文獻[6]對湍流作用下的KA4-70/19A導管螺旋槳進行數值模擬,結果表明斜流角度越大,螺旋槳受到的外界干擾力越大.文獻[7]采用了面元法對螺旋槳的水動力特性進行求解,對測得的速度進行分析,并改善了該螺旋槳的尾部流場.文獻[8]利用勢流理論和粘性流理論可以對開敞水特性進行數值模擬.文獻[9]考慮到在螺旋槳設計的初期,不僅考慮了螺旋槳尺寸和船尾形狀的厚度、螺旋槳載荷和非穩態空化引起的壓力波動.文獻[10-14]通過對螺旋槳的性能研究,得到了一系列關于螺旋槳在斜流中的特性.文中提出的漂浮垃圾收集裝置的造渦構件,在之前的研究基礎上,從造渦構件產生的吸力原理探索非均勻流場狀況下的進行受力狀況,研究該造渦構件在湍流作用下的水動力性能.該造渦構件在豎直方向的研究與應用,在螺旋槳的應用領域進一步延伸,將其應用于小型漂浮垃圾收集裝置,并從豎直方向上探索造渦構件的轉矩與吸力產生的關系,在水上漂浮垃圾的收集裝置設計上具有一定的應用價值.

1 漂浮垃圾收集裝置及其造渦構件

文中設計的漂浮垃圾收集裝置采用的造渦構件為小型推進螺旋槳,圖1為造渦結構的三維模型和收集裝置整體三維圖.

圖1 漂浮垃圾收集裝置三維模型

該垃圾收集裝置的主要部件自下而上分別為L型固定卡扣、造渦構件、防護網罩、收集筒體、水面方向移動推進器、漂浮盤、泡沫浮體、上部控制模塊以及360°旋轉拍攝攝像頭.該收集裝置的主尺度及各個參數見表1.

表1 漂浮垃圾收集裝置主尺度參數

水上漂浮垃圾收集裝置的工作原理為:收集裝置整體獨立放在水中,由漂浮盤和泡沫浮體產生浮力支撐整個收集裝置在水中處于平衡狀態,并通過配置泡沫浮體的重量大小調節漂浮盤在水中的位置,低于水面的距離自由調節.通過造渦構件的作用形成豎直方向的水流壓差力,在水面形成漩渦,從而將水面垃圾收集進入收集筒體.在筒體底部安裝有防護網罩,一方面在桶底盛放起收集的垃圾起到托底的作用,另一方面防止垃圾等纏繞物對造渦螺旋槳進行纏繞,解決了螺旋槳的纏繞問題.通過上部控制模塊的人工智能算法及控制系統對推進器速度的調節,調整整個收集裝置在水中的速度和位置.

利用建模軟件SOLIDWORKS進行造渦結構實體建模,得到設有外管架的造渦結構的三維模型,如圖2.

圖2 增加外管架的三維模型

2 流體運動控制方程

假設流體不可壓縮,流體運動控制方程主要采用連續方程和動量方程描述流場運動.

連續方程:

(1)

動量方程:

(2)

式中:ρ為流體的密度;g為重力加速度;μ為粘性系數;P為來流壓力;U為來流的運動速度.

3 造渦構件的水動力性能

3.1 計算域與網格劃分

根據漂浮垃圾收集裝置的實際工作情況,將造渦構件的計算域分為造渦結構的旋轉計算域和外管架的靜止流場域.旋轉域的計算采用滑移網格對造渦結構的旋轉進行模擬計算.外管架與垃圾筒體固定聯接,處于相對靜止狀態,故采用切割體網格進行網格劃分[15].圖3、4展示了文中使用的外界計算域、造渦構件的旋轉域以及固定外框架部件處的靜止流場域.

圖3 計算域劃分

圖4 造渦構件計算域網格劃分

3.2 邊界條件和初始條件

如圖3,將左端的矩形面設置為流體的速度進口,將右端面作為壓力出口,剩余的外界4個面作為流體邊界面,該4個邊界面呈對稱面設置.對于不同工況有不同的參數設置,表2、3給出了最初的默認值條件和造渦構件的主要參數.

表2 邊界條件設置

表3 流場參數及造渦結構物理參數

3.3 數值方法驗證

為了驗證文中提出的三維計算模型以及邊界條件設置的正確性,采用數值模擬計算出同款產品在Y方向的推力大小,并與產品的設計參數進行對比驗證,圖5為各個小型螺旋槳的參數和數值模擬的造渦結構數值分析結果.通過計算得出,轉速在湍流入口為10 m/s的情況下,在Y軸方向產生的推力約為0.2 N,隨著轉速的增加,產生的推力逐漸減小,之后就會產生相反的推力,反向增大.計算結果表明,該計算域以及計算方法符合螺旋槳的運動規律,采用文中的計算方法可以有效計算出該垃圾收集的造渦構件的運動特性.

圖5 造渦結構模擬數值與實際工作裝置的結果比較

4 造渦構件的水動力特性分析

對漂浮垃圾收集裝置的造渦結構進行水動力性能分析,以此探究不同的水流流速度對于單獨造渦結構的作用和影響以及不同的水流速度對于增加外框架造渦結構的作用和影響.

4.1 單獨造渦構件水動力性能

造渦構件幾何形狀與船用螺旋槳相似,其水動力性能只受到進速系數J的影響,其無因次因數為:

(3)

(4)

(5)

式中:J為進速系數;KT為推力系數;KQ為轉矩系數[16];η0為敞水效率;T為發出推力;Q為吸收轉矩;n為轉速;D為直徑;ρ為水密度.

采用無外管架的造渦結構件進行數值模擬,其三維模型如圖6,設定進速系數J=0.1,坐標系和槳葉初始位置在圖中已經標出.

圖6 無外管架的造渦結構槳葉轉角

選定工況入口速度為5、10、15、20、25 m/s的狀態下,以造渦構件轉速為20 r/s的速度進行數值模擬,探索該造渦結構在X、Y、Z方向上的推力以及轉矩變化情況,如圖7.

如圖7,隨著入口流速逐漸增大,該造渦構件在X軸方向的推力逐漸由1.5 N增加到8 N,在X方向的推力逐漸增大,且反方向逐漸增大.在入口流速為15 m/s時,出現了推力拐點.隨著入口流速逐漸增大,在X方向的轉矩由0.05 N·m變化到0.13 N·m,其中,在入口流速為10 m/s時,X方向的轉矩達到最小,數值為0.13 N·m.入口流速從10 m/s到25 m/s的范圍內,其X方向的轉矩逐漸從0.02 N·m上升到0.13 N·m.隨著入口流速的增大,Y方向的推力從2.5 N到1.3 N的范圍變化,從5 m/s的入口到10 m/s的入口流速范圍內,Y方向的推力由2.5 N到0.3 N的下降趨勢,后緩慢從0.3～1.3 N的上升趨勢.Y方向的轉矩隨著入口流速的增大,5～10 m/s的范圍內,其轉矩逐漸減小,入口流速從10～25 m/s的范圍內,Y方向的轉矩逐漸增大.由圖可知,在入口流速為10 m/s時,Y方向的轉矩出現拐點,且處于最小值處.隨著入口流速的逐漸增大,該造渦構件Z方向的推力從10～250 N的受力范圍內緩慢上升,相比于X方向和Y方向的推力,Z軸方向的推力比較大,產生的Z方向的力矩也比較大,在入口流速為10 m/s的工況下,Z方向的轉矩達到最小值,為1 N·m,同時在該工況下的Z軸方向的轉矩出現拐點,之后Z軸方向的轉矩隨著入口速度的增大也反向增大.

以上分析可得,在X、Y、Z軸方向的推力與轉矩的變化趨勢中,在速度為10 m/s的工況下都出現拐點且達到最小值.故文中采用10 m/s工況下各個不同轉速對造渦結構的推力與轉矩的影響研究.其變化趨勢如圖8.

圖8 入口流速為10 m/s工況下的推力與轉矩

圖8中,隨著造渦結構的轉速增加,造渦結構在X方向的推力先減小后增大,變化范圍為1.15～1.35 N,在轉速為25 m/s的狀態下出現拐點,達到最小,推力為1.15 N.隨著轉速從25 r/s增加到40 r/s,X方向受到的推力大小逐漸增大.X方向的轉矩隨著造渦結構的轉速從20 r/s增加到35 r/s的工況下逐漸從0.018 N·m減小到0.01 N·m,在轉速為40 r/s的時候出現了突變,達到0.12 N·m,后續區間內逐漸減小.隨著造渦結構的轉速逐漸增加,Y方向的轉矩逐漸從0.017 5 N·m減小到0.017 0 N·m,后增大至0.020 7 N·m,而Y方向的推力則是呈現出現減小后增大的趨勢.當造渦構件處于20～30 r/s的轉速區間內,在Y方向的轉矩從0.017 5～0.017 0 N·m.隨著造渦構件轉速逐漸增大,Z方向推力逐漸由43.1 N增大到43.9 N,出現拐點的趨勢,分別在轉速為35 r/s、40 m/s的工況下出現拐點值,分別為43.45、43.7 N.Z方向的轉矩隨著造渦構件的轉速增大呈現出上升趨勢,變化范圍為1.31～1.35 N·m.

以上分析可得,該造渦構件在10 m/s的入口流速下,造渦構件在轉速為20 r/s的情況下受到的綜合推力較小,受到的轉矩較大,故設計的無外管架造渦構件適合的水域環境為在入口流速為10 m/s,造渦構件的轉速取20 r/s.

4.2 增加外管架的造渦構件水動力性能

根據實際工況與工作環境,給該水上垃圾收集裝置的造渦結構增加外管架,在相同的入口流速下進行數值模擬試驗,觀察該造渦構件各個方向的推力以及各個方向的受到的轉矩的大小.圖9、10為造渦構件在轉速為20 r/s的工況下探究湍流對各個方向的推力以及轉矩的影響趨勢圖.

圖9 轉速為20 r/s工況下的推力與轉矩

圖10 入口流速為10 m/s工況下的推力與轉矩

隨著入口流速的增加,X方向的推力先減小后增大,變化范圍在1～200 N,在入口流速為10 m/s時達到最小.X方向的轉矩隨著入口流速逐漸增大呈現先減小后反向增大的趨勢,在入口流速為10 m/s時的轉矩最小,值接近0,后反向增大至3 N·m.隨著入口流速的增大,Y軸方向的推力先從正方向由70 N減小至0值后反向增大到50 N,在入口流速為10 m/s的時候Y方向推力接近于0,說明該造渦結構適應的水域環境在水流速度在10 m/s左右.Y方向的轉矩隨著入口速度增大而呈現增大趨勢,變化趨勢為10 N·m到1 000 N·m.隨著入口速度的增大,Z方向的推力從10 N增大到1 000 N逐漸增大趨勢,而Z軸方向的轉矩先減小后增大,最大轉矩為70 N·m.

根據計算結果得知,當入口速度為10 m/s時,該造渦結構受到的綜合推力較小,轉矩相對較大,故以入口速度為10 m/s作為運動工況,進行數值模擬,在造渦結構不同轉速下,各個軸向受到的推力以及轉矩的變化情況.

隨著造渦構件轉速的增大,X方向的推力在轉速為20 r/s到40 r/s的范圍內,呈現逐漸增大的趨勢,而在X方向的轉矩總體趨勢為逐漸增大,在轉速為20 r/s的情況下,受到的轉矩最大.隨著造渦構件的速度增大,Y方向的推力逐漸增大,而Y方向的轉矩穩定在175 N·m左右,屬于穩定的狀態.隨著造渦構件轉速的增加,Z方向的推力穩定在175 N左右,Z方向的轉矩呈現逐漸減小的趨勢,變化范圍從3.36 N·m變化到3.42 N·m.其中,在造渦構件轉速為20 r/s的工況下,Z方向的轉矩最大,數值為3.42 N·m.

以上計算結果表明,該造渦構件在10 m/s的工況下,選擇轉速為20 r/s的轉速最符合設計要求.

4.3 增加外管架前后的造渦構件性能對比

造渦構件的設計是為了使得漂浮垃圾收集器產生吸力將漂浮垃圾吸收,隨著造渦構件的轉矩增加,產生的吸力越大,吸收漂浮垃圾的尺寸范圍越廣.考慮到給予造渦構構件的動力越大,則在垂直方向上產生的推力會影響到漂浮垃圾收集器的豎直方向的平衡性,所以選擇最優的水流入口流速為10 m/s,造渦構件轉速為20 r/s的工作工況,此時的工作狀態最佳.

通過對造渦構件的流場分析,得到相應工況下的運動數值,整理出各個工況下最大值如表4.假設LC1表示入口流速為10 m/s的工況,LC2表示造渦構件轉速為20 r/s的工況,分別整理出在2種工況下最大推力與最大轉矩并進行比較.

表4 增加外管架前后性能對比

由表4可知,在入口流速為10 m/s的工況下,最大推力在有外管架的情況下比無外管架的情況下運動性能提升3倍,最大轉矩方面運動性能提升1.57倍.在轉速為20 r/s的工況下,最大推力在有外管架的情況下比無外管架的情況下運動性能提升2.83倍,最大轉矩方面運動性能提升2.87倍.所以,無論是在LC1還是在LC2的情況下,造渦構件增設外管架使得收集裝置具有較好的垃圾收集功能.

5 結論

(1) 在X、Y、Z軸方向推力與轉矩的變化趨勢中,在來流速度為10 m/s的工況下都出現拐點且達到最小值,X、Y、Z方向的最小值分別為1.353 9、0.459 1、43.962 N.該造渦構件在10 m/s、轉速為20 r/s情況下受到的轉矩最小,最小值為1.309 N·m,故設計的無外管架造渦構件適合的水域環境為在入口流流速為10 m/s,造渦構件的轉速取20 r/s.

(2) 在有外管架的結構下,造渦構件的推力相對于無外管架時受到的推力提升3.01倍,受到的轉矩提升2.87倍,所以采用增加外管架的造渦結構具有較好的運動性能.

(3) 采用外管架結構的螺旋槳作為漂浮垃圾收集裝置的造渦構件,在流速為10 m/s的水流中,其平均運動性能提升2倍,在造渦構件轉速為20 r/s的情況下,其平均運動性能提升2.8倍.所以,該漂浮垃圾收集裝置的最佳的工作環境為水流v≤10 m/s的工作環境,采用增加外管架的造渦構件,造渦構件最佳的工作參數為轉速20 r/s.