于 鼎， 余 龍*， 石啟正， 鄭金龍， 隋 毅， 趙子鑒， 毛涵宇

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 a.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；2.中港疏浚有限公司， 上海 201300)

0 引 言

耙吸挖泥船具備較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力[1]，在疏浚作業(yè)時(shí)采取行進(jìn)中挖泥的方式，集挖泥、裝泥和卸泥多種功能為一身，無(wú)需其他船只輔助，不會(huì)影響周圍船舶航行[2-3]。在挖泥過(guò)程中，耙吸挖泥船船尾往往會(huì)形成嚴(yán)重的溢流擴(kuò)散，對(duì)周圍水域和海洋生物造成重大影響。有效減少耙吸挖泥船溢流擴(kuò)散一直是研究熱點(diǎn)。李云旺等[4]在多賓斯-坎普(DOBBINS-CAMP)模型中引入動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)溢流損失進(jìn)行預(yù)測(cè)和估算，提出簡(jiǎn)化的溢流損失動(dòng)態(tài)分析模型；徐昶等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)?zāi)M裝艙溢流施工過(guò)程，以艙內(nèi)流速、艙內(nèi)濃度、溢流進(jìn)出口泥沙粒徑等為主要控制因素，比較常用裝艙裝置的消能效果；張忱等[6]通過(guò)裝艙溢流物理模型測(cè)量裝艙結(jié)構(gòu)和溢流裝置在不同組合時(shí)裝載量和流場(chǎng)分布等隨時(shí)間的變化，得到有益于泥沙沉淀的裝艙溢流組合；王培勝等[7]對(duì)泥艙系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，預(yù)估泥艙溢流量和溢流密度，并用實(shí)船裝艙質(zhì)量對(duì)溢流密度進(jìn)行驗(yàn)證；趙津京等[8]采用MIKE3模型模擬不同工況下的泥沙裝艙過(guò)程，分析不同工況下的艙內(nèi)泥沙分布和裝艙容積曲線，將模擬結(jié)果與測(cè)艙數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該模型可較好地模擬泥沙沉降、懸浮等運(yùn)動(dòng)過(guò)程；SAREMI等[9]和SAREMI[10]對(duì)有無(wú)環(huán)保閥時(shí)溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)環(huán)保閥在特定角度時(shí)可有效減少空氣進(jìn)入混合液； DECROP等[11]發(fā)現(xiàn)在常規(guī)情況下，環(huán)保閥可高效地減少溢流在海面的擴(kuò)散，但其效率會(huì)受到環(huán)保閥至船尾的距離、溢流筒直徑、溢流濁度、濁液通過(guò)環(huán)保閥的相對(duì)速度等因素的影響。

通過(guò)模型試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Flaid Dynamics, CFD)數(shù)值模擬的方法，建立一種氣液兩相流模型，計(jì)算并驗(yàn)證環(huán)保閥的作用效果。通過(guò)模擬計(jì)算得到進(jìn)口流量、泥艙內(nèi)液面高度、環(huán)保閥角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出根據(jù)進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥板角度的控制策略，建立疊加式溢流筒的數(shù)值分析模型。

1 氣液兩相流模型

在耙吸挖泥船裝艙溢流時(shí)，流動(dòng)過(guò)程存在如下特點(diǎn)：兩相流的上表面與空氣直接接觸，形成自由液面；在兩相流進(jìn)入溢流筒時(shí)，大量空氣會(huì)因壓差進(jìn)入溢流筒，并由水流帶動(dòng)從溢流筒底部排出，若忽略少量由于浮力上浮的氣泡，可認(rèn)為氣液兩相具有相同的速度；在溢流過(guò)程中氣液兩相處于完全相同的環(huán)境，兩相溫度相同，彼此之間沒(méi)有熱力交換。根據(jù)上述特點(diǎn)，采用均相流模型進(jìn)行耙吸挖泥船溢流過(guò)程的模擬，用以研究和驗(yàn)證環(huán)保閥減少空氣進(jìn)入溢流筒的作用，并通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比，驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。基本控制方程如下：

連續(xù)性方程

W=ρMvMA=C

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

式(1)～式(3)中：W為質(zhì)量流量；ρM為密度；vM為流速；A為流通面積；p為壓強(qiáng)；z為位移；τo為流體與壁面的摩擦剪應(yīng)力；Ph為控制體周界長(zhǎng)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(zhì)量流速；vn為比熱容；dF為流體沿管流動(dòng)的摩擦生熱；C為常數(shù)。

數(shù)值模擬過(guò)程中的流動(dòng)模型選擇均相流模型，自由表面模型采用標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)，湍流模型選擇常用的k-ε模型，壁面函數(shù)為Scalable。

2 環(huán)保溢流筒模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c主要儀器

試驗(yàn)主要模擬裝艙溢流過(guò)程，使用高速攝像機(jī)拍攝環(huán)保閥附近的氣體分布圖像，通過(guò)8個(gè)電導(dǎo)率傳感器測(cè)量溢流筒(見(jiàn)圖1)內(nèi)不同位置上的氣體體積。電導(dǎo)率傳感器(見(jiàn)圖2)彼此之間間距2 cm。

圖1 溢流筒模型 圖2 溢流筒內(nèi)的電導(dǎo)率傳感器

試驗(yàn)儀器主要還有泥艙內(nèi)流速儀、水下高速攝像機(jī)、進(jìn)艙出艙流量計(jì)等。泥艙及溢流筒的筒體由透明有機(jī)玻璃制成，可觀察溢流筒內(nèi)環(huán)保閥的閉合狀態(tài)與氣體體積分布。

2.2 試驗(yàn)條件

在模型試驗(yàn)中進(jìn)行不同條件下多組測(cè)試，包括進(jìn)艙流量(70～120 m3/h)、環(huán)保閥高度(距艙底26.7 cm、41.7 cm、56.7 cm)和環(huán)保閥角度的變化(水平夾角為20°、30°、45°、60°、75°)。當(dāng)筒內(nèi)不設(shè)環(huán)保閥時(shí)，進(jìn)行3組不同入口流量的試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

由模型試驗(yàn)得到的結(jié)果主要有兩種：一是攝像機(jī)拍攝的圖像，可直接進(jìn)行觀察；二是電導(dǎo)率傳感器測(cè)得的各個(gè)點(diǎn)上的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率在一定程度上可反映氣體體積分?jǐn)?shù)的大小，但是需要對(duì)測(cè)得的電導(dǎo)率進(jìn)行一定換算，將其轉(zhuǎn)化為筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)C，換算公式為

(4)

式中：RP為測(cè)量電極置于所述被測(cè)液體中的電阻值；R0為測(cè)量電極置于不含氣的所述被測(cè)液體中的電阻值。試驗(yàn)中測(cè)得的為電導(dǎo)率，電阻等于電導(dǎo)率的倒數(shù)。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率傳感器8測(cè)得的數(shù)值與其他相差較大，因而認(rèn)為該傳感器的測(cè)量精確度存在一定問(wèn)題，只取其他7個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)值。換算后得到各點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。

圖3 模型試驗(yàn)不同角度時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)

由圖3可知：當(dāng)溢流筒內(nèi)裝有環(huán)保閥時(shí)明顯減少溢流筒內(nèi)的氣體含量，各點(diǎn)的氣體體積分?jǐn)?shù)明顯下降至0.1～0.3。由圖3可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為30°和45°時(shí)，溢流筒內(nèi)的氣體含量明顯減少；但達(dá)到45°后，繼續(xù)增大環(huán)保閥角度不能再明顯減小溢流筒內(nèi)的氣體含量。

3 試驗(yàn)尺度的數(shù)值模擬

3.1 幾何與網(wǎng)格

對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)，建立完整的泥艙模型，如圖4所示。泥艙長(zhǎng)為5.000 m，寬為1.650 m，高為1.350 m；溢流筒圓柱形部分直徑為0.300 m，高為0.800 m；開口部分最大直徑為0.600 m，高為0.083 m；溢流筒底面中心點(diǎn)距兩側(cè)壁面分別為0.800 m 和0.445 m。來(lái)流從右側(cè)開口進(jìn)入，從溢流筒底部排出。為了更好地與模型試驗(yàn)進(jìn)行比較，在溢流筒內(nèi)部設(shè)立相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)(對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)中傳感器的位置)，溢流筒內(nèi)部網(wǎng)格如圖5 所示。

圖4 泥艙與溢流筒幾何模型

圖5 溢流筒內(nèi)部網(wǎng)格

3.2 與模型試驗(yàn)的對(duì)比及誤差分析

3.2.1 無(wú)環(huán)保閥時(shí)誤差分析

在未安裝環(huán)保閥時(shí)，溢流筒中間受邊界干擾較小的1～4號(hào)測(cè)量點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)如圖6所示，模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬接近。

圖6 無(wú)環(huán)保閥時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)

3.2.2 有環(huán)保閥時(shí)誤差分析

在安裝環(huán)保閥后，溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)顯著減小，當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為30°與45°時(shí)，不同測(cè)量點(diǎn)上的氣體體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。

圖7 氣體體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)

數(shù)值模擬基本反映模型試驗(yàn)的規(guī)律，安裝環(huán)保閥后溢流筒內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)明顯減小。數(shù)值模擬結(jié)果偏小的原因在于：試驗(yàn)采用的電導(dǎo)率傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸較大，導(dǎo)致水流與傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一定量的氣泡干擾。

4 環(huán)保閥效果驗(yàn)證及控制策略

在耙吸挖泥船裝艙實(shí)際溢流過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)艙流量的不同，調(diào)整環(huán)保閥的開閉角度，可使艙內(nèi)水位保持在一個(gè)比較合理的高度，不僅能保證裝艙溢流效率，而且能減少空氣進(jìn)入溢流筒。為得到具體的控制策略，對(duì)試驗(yàn)尺度的環(huán)保溢流筒模型采用氣液兩相流模型，進(jìn)行不同流量、不同角度時(shí)的CFD數(shù)值模擬。進(jìn)口流量分別取80 ～120 m3/h，在不同環(huán)保閥角度(水平角度為0°、30°、45°、60°)時(shí)分別計(jì)算，得到不同條件下溢流筒內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)和液面高度。

4.1 計(jì)算結(jié)果及分析

圖8為當(dāng)入口流量為90 m3/h時(shí)，在不同環(huán)保閥角度下氣體體積分?jǐn)?shù)云圖。由圖8可知：在保持入口流量不變時(shí)，若未安裝環(huán)保閥，溢流筒內(nèi)部會(huì)充滿大量的氣體；當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為60°時(shí)，溢流筒內(nèi)的氣體有所減少，泥艙內(nèi)的液面高度也有所上升；當(dāng)環(huán)保閥水平夾角為30°或45°時(shí)，溢流筒內(nèi)的氣體明顯減少，氣體主要集中于入口與環(huán)保閥左上角，泥艙內(nèi)的液面高度也較60°時(shí)有明顯上升，但30°與45°之間變化不大；隨著環(huán)保閥角度增加，雖然從上部吸入的空氣減小，但是環(huán)保閥形狀造成的空泡現(xiàn)象加劇。

圖8 入口流量為90 m3/h時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

4.2 泥艙內(nèi)液面高度的控制

為明確環(huán)保閥水平夾角在45°～60°時(shí)泥艙內(nèi)水位高度的變化規(guī)律，進(jìn)行閥板與水平成50°或55°時(shí)的數(shù)值模擬，得到的進(jìn)艙流量、水位高度和環(huán)保閥水平夾角之間的數(shù)據(jù)如表1所示，獲得的控制曲線如圖9所示。

圖9 泥艙內(nèi)水位高度關(guān)系

5 疊加式溢流筒數(shù)值模擬

5.1 幾何模型

近年來(lái)，荷蘭IHC公司開發(fā)一款塔式環(huán)保溢流裝置“Plumigator”，頂部為開口形式，模型如圖10所示。在單筒的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，拓展溢流筒為兩筒疊加式和三筒疊加式，與國(guó)外產(chǎn)品不同的是，此疊加模型頂部封閉，如圖11和圖12所示。

圖10 塔式環(huán)保溢流裝置“Plumigator”

圖11 兩筒疊加式模型

圖12 三筒疊加式模型

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果

三筒疊加式溢流筒內(nèi)氣體沿中間筒壁流出，氣體含量最少，具有顯著效果，如圖13所示。

圖13 三筒疊加式氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

3種溢流筒在相同進(jìn)艙流量(80 m3)下進(jìn)行數(shù)值模擬，取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對(duì)比，得到3種溢流筒的氣體體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)，如圖14所示，可以看出：?jiǎn)我缌魍?、兩筒疊加式和三筒疊加式的氣體體積分?jǐn)?shù)分別集中在0.4～0.6、0.2～0.3和0～0.1。 兩筒疊加式的氣體體積分?jǐn)?shù)相對(duì)單溢流筒減少47.8%，三筒疊加式相對(duì)減少89.1%，下降效果顯著。

圖14 3種溢流筒的測(cè)量點(diǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)散點(diǎn)

6 總 結(jié)

通過(guò)CFD數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究環(huán)保閥對(duì)減少空氣進(jìn)入溢流筒的作用，并建立根據(jù)進(jìn)艙流量合理調(diào)節(jié)環(huán)保閥角度的策略。主要成果如下：

(1) 根據(jù)耙吸挖泥船裝艙溢流的特點(diǎn)，建立模型試驗(yàn)尺度下溢流過(guò)程的氣液兩相流模型，并通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。

(2) 通過(guò)CFD數(shù)值模擬得到進(jìn)艙流量、環(huán)保閥角度、泥艙內(nèi)液面高度之間的關(guān)系，繪制環(huán)保閥角度控制曲線。

(3) 改進(jìn)和建立疊加型溢流筒模型，驗(yàn)證三筒疊加模型溢流筒模型具有較好的效果。