大型疏浚泥泵固液两相流场特性的数值模拟分析

基于欧拉双流体模型对绞吸挖泥船大型泥泵进行固液两相流的非定常数值模拟计算,通过对比分析颗粒粒径、颗粒浓度、颗粒密度对两相流线、固相颗粒浓度分布等流场特性的影响,为提高疏浚泥泵的优化设计提供指导。模拟结果表明,颗粒物理特性对液相流线分布的影响较小,随着颗粒粒径增大,液相对固相的带动作用减弱;随着颗粒密度的增大,液相对固相的带动作用未减弱;随着颗粒浓度增大,液相对固相的带动作用增强;随着粒径和密度增大,颗粒分布不均性加强;随着颗粒浓度的增大,颗粒浓度分布均匀性加强,靠近叶片壁面浓度明显增大。对比了两种泥泵流道的颗粒浓度分布,通过叶轮流道的优化设计,可以减少颗粒在流道表面的集聚,降低泥泵磨损。

3500m^3/h系列绞吸式挖泥船定位钢桩强度分析及改造

3 500 m^3/h绞吸式挖泥船是中交三家航道局的主力船型,在国内外大型工程项目中发挥着重要的作用。定位钢桩作为绞吸挖泥船的重要设备,担负着船体定位、传递作用力矩的作用,其在作业工况下的强度对绞吸挖泥船的安全作业和持续施工具有不可忽视的意义。文章以3 500 m^3/h绞吸式挖泥船定位钢桩为研究对象,针对恶劣工况,利用桩-土理论进行分析,采用有限元数值模拟计算的方法,研究钢桩的强度和改进方法。优化改进后的钢桩结构提高了施工安全系数。

基于CFD和模型试验的水下泥泵优化设计研究

泥泵是绞吸挖泥船的心脏设备,泥泵的效率直接影响着挖泥船的施工效率。本文结合CFD和模型试验,基于流体仿真软件,采用标准k-ε湍流模型,模拟了大型水下泥泵的三维流场,预测了泥泵的水力性能,并采用增大叶片包角,减小叶片出口角等方法对叶片进行了优化,提高了扬程曲线的斜率,最高水力效率达到了86%;基于相似定律,按照1∶4的比例设计制造了模型泵,在试验台上进行了外特性试验。结果证明,优化设计的水下泥泵外特性与预测相符,验证了绞吸挖泥船水下泥泵的设计方法。

4500 m^3耙吸挖泥船用高效泥泵的研究与应用

基于CFD和模型试验,研制了离心式高效泥泵,成功应用于4 500 m^3耙吸挖泥船的泥泵改造。应用流体仿真软件,模拟了新设计高效泥泵的三维流场,预测了水力性能;基于相似定律,按照0.694的比例制造了模型泵,在试验台上进行了清水外特性试验,验证了高效泥泵的水力性能。泥泵改造后的实船清水测试表明,在流量9 000~11 000 m^3/h,右泵测试效率达到80%~87%,左泵测试效率均达到78%~86%;跟踪采集挖泥数据,改造后左泵泥浆密度由1.25 t/m^3提高至1.30 t/m^3,流量由7 667 m^3/h提高至8 183 m3/h,改造后生产效率得到明显提高,同时降低了油耗,达到了节能增效的目标。

绞吸挖泥船绞刀切削过程数值模拟及刀臂曲线优化

为了研究绞吸挖泥船切削过程土体与绞刀相互作用的功率消耗和切削产量情况,基于离散元理论,结合实船施工数据,采用PFC3D程序,将土体离散为有限单元,模拟绞刀切削土体过程,监测绞刀功率消耗和切削产量,与实船数据对比分析,验证数值模拟的可靠性,在此基础上对现有绞刀刀臂曲线进行改进优化。

基于LS-DYNA的绞刀土壤切削仿真

利用ANSYS/LS-DYNA软件建立绞刀和土体的有限元模型,应用LS_DYNA的显式动力学分析算法,对绞刀切削土壤的动力学过程进行模拟,得到绞刀在切削土体时功率消耗、切削阻力以及土壤的等效应力变化规律,为绞刀-土壤切削研究提供一种新的手段和方法。

耙吸挖泥船消能箱关键参数对装舱效果影响的数值分析

消能箱作为泥舱系统的关键设备,直接参与疏浚装舱过程,其出流特性对船舶装舱效果及生产效率有重要影响。以1.50万m 3耙吸挖泥船的消能箱为研究对象,采用流场数值模拟手段,对消能箱主体尺寸、结构形式等影响出流特性的关键参数进行计算分析。结果表明,在一定范围内,消能箱管径越大,消能效果越好,且出流均匀性得到一定程度改善;等截面积条件下,圆形截面消能箱的装舱效果显著优于方形截面的设计;消能箱中部开口指向舱底的速度分量较大,可通过布置水平挡板进行局部优化。该消能箱设计有助于改善疏浚装舱过程中细粉砂的沉积效果,节省装舱时间,减少溢流损失。

基于中粗砂土质输送工况的泥泵轴系疲劳寿命研究

绞吸挖泥船泥泵泵轴的断裂事故时有发生,直接影响疏浚工程的进度和效益。以厦门机场大小嶝造地工程为背景,3500 m~3/h绞吸挖泥船的泥泵轴系为研究对象,建立了泥泵在流量11000 m~3/h、泥砂粒径0.7 mm、混合物体积浓度20%工况下的疲劳寿命预测模型。通过对泥泵运转过程中的多相流场数值分析和对泥泵轴系瞬态动应力响应分析,提取泵轴关键节点处的应力时间历程数据,结合S-N曲线法和线性累积损伤原理,分析泵轴时域疲劳特性,预测相应工况下的泥泵轴系疲劳寿命。以此为基础,为进一步优化施工工艺和提升泵轴运转寿命提供建议。

挖泥船泥泵泵轴轴向力和径向力的计算方法综述

泥泵作为离心泵的一种，在挖泥船疏浚作业中，断轴的现象时有发生。为了避免断轴的发生，在设计时需准确计算泵轴所受轴向力和径向力。文章对国内外关于离心泵泵轴轴向力和径向力的产生原因、危害以及计算方法的研究进行归纳整理，发现离心泵泵轴的水力径向力的稳定部分可以由Stepanoff公式较准确的估计，并已被数值计算和试验证明，而数值模拟显示不稳定径向力的最大值大约是稳定径向力大小的40％～70％；离心泵轴向力的经验公式缺乏试验或数值模拟的验证，只能做参考；基于CFD软件计算径向力和轴向力的方法得到了试验的验证，成为求解泵轴受力计算的有效工具。

耙头高压冲水与高压冲水泵匹配性研究

以上航局3000 m3等级耙吸挖泥船建造项目为依托,结合项目中4500 m3耙吸挖泥船耙头研制,深入研究耙臂冲水管系沿程阻力及喷嘴布置对耙头冲水的影响。采用数值模拟方法对4500 m3耙吸挖泥船耙头高压冲水管路及喷嘴流速进行了计算,依据高压冲水泵性能曲线开展工况点的匹配性分析。针对喷嘴附近局部过流面的流场分布,进一步优化耙头内部高压冲水过流区域形状和喷嘴结构形式,有效降低管路阻力,减小了高压冲水沿耙臂管路输送至喷嘴过程的能量损失,显著提高了喷嘴冲水流速,形成了与高压冲水泵工况点相匹配的耙头冲水管系和喷嘴设计方案。

环保绞刀内部流动状态研究

近年来,绞吸挖泥船的研制工作逐渐向环境保护型、绿色节能型发展,防扩散技术是研制环保绞吸挖泥船的核心。通过对原型环保绞刀进一步改造,在绞刀罩两侧增加活动翻板来灵活调整绞刀切削深度和吸口吸入浓度。采用CFD(计算流体力学)软件对原型绞刀和新型绞刀进行模拟计算,对比绞刀切削过程中左右两侧流场情况。结果表明:新型绞刀防扩散效果明显优于原型绞刀;从结构的角度分析,新型绞刀切削深度灵活可调,满足不同现场工况的要求,为后续打造经济型、环保型绞吸挖泥船提供一定的理论基础。

绞吸挖泥船绞刀传动系统性能优化研究

结合工程案例,对绞吸挖泥船绞刀传动系统浮动油封损坏原因作了分析,并提出了改进措施,对提高设备使用寿命及环境保护具有积极意义。

刀齿切削角对绞刀生产效能影响的数值分析

为分析刀齿切削角对绞刀生产效能的影响,基于颗粒离散元PFC2D软件,对不同刀齿切削角下刀齿体切削过程进行建模与数值分析,获得了刀齿-土体相互作用过程中的土颗粒速度场、位移场特征及切削土体的破坏形态,并全程记录了刀齿功率的动态演化过程。结果表明,刀齿切削角度越大,其所需功率越大,切削角度从30°增大至45°、60°时,其最大功率分别增加约2.2、3.3倍;刀齿切削角度越大,土体破碎越好,越易于泵吸带离,而切削角度较小时切削下的土体呈长条块状,难于卷入进入绞刀中心。

基于三维离散元法的绞刀运转效能分析

针对不同绞刀结构下的运转效能影响机制问题,基于离散元(DEM)法,研究了锥型绞刀和冠型绞刀在切削土体过程的工作效能。结合工程实际数据,在三维离散元软件YADE中进行通用型绞刀头建模,并验证其数值模拟可靠性。优化绞刀结构形式,建立了新的锥型绞刀和冠型绞刀的三维模型并模拟分析了两者在不同工况下的切削过程。结果显示,锥型绞刀较冠型绞刀具有更优的挖掘效能。

新建6500 m^3耙吸挖泥船疏浚系统技术研究

6 500 m^3耙吸挖泥船是由荷兰IHC联合上海振华船研中心共同为中交上海航道局有限公司研发设计,专为航道治理、港口疏浚建造的2艘高效环保型耙吸挖泥船。文中以6 500 m^3耙吸挖泥船设计建造为基础,根据全船技术规格设计和疏浚系统技术规格设计,采用理论分析和对比研究的方法,重点研究了6 500 m^3耙吸挖泥船疏浚系统的设计理念和装备配置,通过与国内现有技术对比,针对各个子系统解析全新设计耙吸挖泥船的特点和性能,为后续国内耙吸挖泥船设计优化提供思路。

疏浚泵内泥沙颗粒的瞬态追踪数值方法

为求解疏浚泵内沙粒的瞬态运动,以ANSYS Fluent的离散相模型为基础实现了一种修正算法.在稠密流动中以Lagrangian方法追踪沙粒时,引入用欧拉方法描述的粒-液两相求解得到的粒相体积分数以及Huilin-Gidaspow曳力模型,将先更新叶轮网格再求解沙粒运动的过程转变为叶轮网格与颗粒同步旋转后再求解颗粒相对运动的过程,以避免粒子在运动壁面上碰撞判定及反弹速度计算的错误.对比数值结果发现,改进算法能够在相近的计算时间下显著提高泵内颗粒运动的追踪精度.改进算法预测叶轮上的冲蚀磨损主要发生在叶片前缘偏上部位,冲蚀率峰值达7×10^(-5) kg/(m^(2)·s)以上,这与真实磨损的位置和程度相近,验证了修正算法的有效性.

疏浚管道金属材料冲蚀磨损性能

疏浚工程中,输送管道内壁面受到泥砂浆的持续冲刷,导致管道冲蚀磨损严重。为选择输合理的输送管道材质,以提高疏浚管道的抗冲蚀性能,降低其维修和更换频率,采用冲蚀试验与理论分析的方法,以常见管材Q235为参照对象,对比5种可用于制作耐磨排泥管道的耐磨金属材料的冲蚀性能,包括Cr15铸铁、Cr26铸铁、Fedur■40合金、中锰钢、信铬钢。根据材料表面扫描电镜(SEM)图像,分析不同冲蚀角度下材料磨损类型。结果表明:冲蚀磨损过程中,各耐磨金属材料同时承受多种磨损作用,合金材料中起支撑作用的软质组分容易因切削、塑性疲劳断裂等因素而被剥离,而较硬的碳化物等组分则在松动后容易被颗粒撞击脱落;除Q235外,其余材料的磨损率均随着冲蚀角度的增加而增大;信铬钢、Fedur■40合金在中、小冲蚀角度下的耐磨性能表现优秀,若价格与加工性能合适,建议选作疏浚管道金属材料。

耙吸挖泥船自立式泥门启闭装置

随着疏浚施工水平的不断提高,单列泥门逐渐被广泛应用于中小型耙吸挖泥船上。基于上航局3000 m^(3)等级耙吸挖泥船建造项目,结合船舶在波浪中的受力情况,研究了适用于单列泥门布置形式的泥门启闭装置结构,采用了自立式支撑机构,创新性地设计了易于拆装的导向装置。此外,针对3000 m^(3)等级项目中的泥门受力分析,采用数值模拟的方法根据项目中4500 m^(3)耙吸挖泥船满载工况,校核了泥门装置主要零部件的强度。结合泥门受力和液压油缸工作参数,总结了一套较为完备的油缸选型方法,为今后泥门启闭装置的优化设计和油缸选型提供借鉴。

大型绞吸挖泥船短排距叶轮研发及适应性研究

为提高船舶对短排距的适应性,以大型绞吸挖泥船“新海燕”轮现有水下泵和舱内泵为研究对象,为保证泥泵叶轮通用性,保持叶轮轴面投影图不变,结合切割定律和包角变换法设计了短排距叶轮叶片型线,设计叶片为扭曲型叶片,并通过数值模拟对比分析了新设计的短排距叶轮和直接切割叶轮的性能及流场分布情况,最后分别对采用现有叶轮和短排距叶轮时船舶的适用工况进行了对比预测分析。研究结果表明:优化短排距叶轮的水下泵和舱内泵性能均满足设计要求,相较切割叶轮,设计点效率分别提高了1.1%和2.9%,且流场分布更为均匀;从追求产量的角度,优化短排距叶轮适用排距为0.15~2km;从经济角度,短排距叶轮适用排距分别为0.8~1km和1.6~2.85km;优化短排距叶轮提高了短排距工况时船舶的疏浚效率。

DPM方法用于泥泵叶轮的耐磨选型

为分析叶轮流道结构对泥泵内部流场及壁面磨损的影响,在原叶轮造型的基础上,通过修改叶轮出口形状及叶片型线,提出了4种叶轮造型,并对5种造型进行欧拉-欧拉固液两相流瞬态计算。通过对比分析叶轮内部流场、壁面压力以及壁面剪切力,定性选择一种流场更均匀、壁面压力与剪切力较低的新叶轮造型,并引入离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),追踪原叶轮和新叶轮内的颗粒轨迹,同时对比分析原叶轮与新叶轮的壁面平均磨损率及原叶轮在工程中的实际磨损情况。研究结果表明:两种叶轮的磨损位置大致相同,磨损集中在叶片进口边以及后叶墙面靠近叶片进口位置,但新叶轮的平均磨损率低于原叶轮;原叶轮实际磨损与模拟结果基本相符,验证了数值方法可靠性。