基于CFD的某负压吸附装置水动力学特性分析*

孙 川，张庆力*，刘贵杰，郭 栋，连军帅，何 锐

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.青岛光明环保技术有限公司，山东 青岛 266100)

0 引 言

近年来，青岛海域经常由于浒苔爆发性增殖而引起水体变坏[1]。浒苔是一种分布广泛的大型石莼绿藻，大量浒苔漂浮聚集到近海，不但会阻塞航道，还会破坏海洋生态系统[2-3]。为了消除浒苔带来的负面效应，并使其变废为宝[4-8]，国内外不少专家对浒苔的打捞和处理进行了研究[9-12]。

目前，研发人员设计了多种浒苔打捞船[13]，提高了浒苔的打捞效率。但由于近岸湾区水域流动性差，易造成近岸浒苔积聚；又因近岸海域面积较小，水深较浅，现有浒苔打捞船只无法靠近。

针对这一问题，本文将提出负压吸附浒苔的方法。

1 负压吸附装置的结构介绍

1.1 负压吸附装置工作原理

负压吸附打捞装置由支架、传送网带、螺旋桨和液压马达等组成，其工作原理如图1所示。

图1 负压吸附装置工作原理1-支架；2-传送网带；3-挡板；4-螺旋桨

图1中，液压马达带动螺旋桨旋转，使前后产生负压，在水中产生局部水流，将浒苔吸附到打捞船的传送链上，实现浒苔的打捞。

负压吸附装置的关键部件是螺旋桨。在实际工作状态下，螺旋桨前端有网状传送带，对螺旋桨旋转产生的尾流造成一定的影响，因此，在仿真过程中，需要在螺旋桨的前段设置一带孔的挡板。

1.2 螺旋桨的设计特性

螺旋桨的直径、螺距比、叶片数、转速等，都会对负压大小和水的局部流速产生影响，直接影响负压吸附装置的工作性能。

1.2.1 螺旋桨直径

螺旋桨在固定处旋转时，叶梢的轨迹称为梢圆，其直径即为螺旋桨直径D。通常螺旋桨的直径越大，转速越慢，效率越高；但直径过大时，桨叶盘面处的平均伴流会减小。因此，在选择螺旋桨直径时，要考虑传送装置的尺寸和近岸湾区的面积及水深。

液压马达功率与螺旋桨直径的关系式为：

(1)

式中：W—功率；D—螺旋桨直径；H—螺距；V—转速。

结合传送装置的宽度，根据式(1)计算得到螺旋桨直径参数为D=300 mm。

1.2.2 螺距

本研究取某半径处与螺旋桨共轴的圆柱面剖分桨叶，截得桨叶剖面，将该叶剖面的鼻尾线延长，环绕轴线一周，其两端点的轴向距离即是该桨叶半剖面的螺距H[14]，则有：

F=D×H×L桨宽×P大气压×V2×0.25

(2)

式中：F—螺旋桨推力。

根据式(2)可得，螺距越大，桨的推力越大。

1.2.3 螺距比

螺距比H/D是表征螺旋桨几何特性的一个重要因素，H/D愈大，桨叶对桨轴的倾斜度愈大。本文选用的螺距比为0.8，则可得到H=240 mm。

1.2.4 转速

转速选择时考虑：(1)要保证对湾区浒苔有效打捞；(2)当螺旋桨超过最佳转速后，由于其转动时周围的水来不及流过来，会产生“空泡”现象，降低吸附效果[15]。本文选择一个液压马达，使其带动螺旋桨产生的转速为250 r/min。

2 吸附装置螺旋桨运动特性分析

针对工作状况下螺旋桨动态流场压力及流场速度，本文采用Fluent对螺旋桨的水动力性能进行计算[16]，结果作为螺旋桨周围流场分布的仿真依据。

2.1 负压吸附装置模型构建

本文用NX10.0构造了螺旋桨模型。实际工作条件下，螺旋桨前方有网状的浒苔传输装置，根据传输装置的网孔大小，本文构造了简化的带孔挡板，用以代替浒苔传输装置。

负压吸附装置模型如图2所示。

图2 负压吸附装置模型

2.2 网格划分

本文采用非结构化网格进行叶片部分的划分，其他区域采用结构化网格。

以螺旋桨直径为300 mm，叶片厚度为4 mm的螺旋桨为例，本研究使用GAMBIT对其用非结构化网格进行网格划分。

负压吸附装置网格划分如图3所示。

图3 负压吸附装置网格划分

图3中，挡板面网格大小为3 mm，螺旋桨网格大小为4 mm。

2.3 边界条件设定

本研究将模型置于流场域中，流场域尺寸取长15 000 mm，宽度和高度为7 500 mm。该区域为流场控制体的静止区域。在螺旋桨模型附近再建立一个旋转区域，假定该区域的流场域内流场绕X轴旋转，根据实际螺旋桨转速，设定流场转速为300 r/min。螺旋桨相对该区域内水流呈静止状态。

2.4 流场模拟及计算

本文得出的流场速度、流场压强变化图如图4所示。

图4 流场速度和压强变化云图

从图4可以看出：(1)在传输装置吸附浒苔一侧的海水有一定的流速，随着距离传输装置越近，海水的流速会减小；(2)在带有开口网格的传输装置吸附浒苔的一侧的海水有一定的负压，所产生的负压一直延续到传输装置，随着距离传输装置越近，海水的压力会越来越小。

2.5 流场计算结果输出

本研究在Fluent后处理中输出螺旋桨周围流场的速度矢量分布数据，根据仿真需要按照一定距离截取相对于传送装置与螺旋桨相反一侧截面上的速度矢量分布，根据需要调节数据点的密度，导出螺旋桨附近速度矢量分布变化曲线和压强分布变化曲线如图5所示。

图5 流速和压强变化曲线

由图5可知：(1)由于传输装置带有通孔，会有一定的海水从传输装置通过通孔流过，但距离越近流速会越小；(2)由于螺旋桨旋转产生负压，传输装置附近的水压逐渐减小。

3 螺旋桨动态特性的实验验证

为了验证仿真结果的准确性，本文进行螺旋桨动态特性的实验。实验设备为螺旋桨、传输装置、DATA-52压力变送器、LGY型智能流量流速仪等。

3.1 实验过程

(1)打开液压马达，使螺旋桨保持一定的速度旋转；(2)在液压马达外侧垂直于出口的断面上取5条垂直于出口面的直线，每条垂线均匀布置5个测点；(3)测出螺旋桨尾流水压力和流速；(4)根据测得的数据绘制流速、压强变化曲线。

3.2 结果分析

通过实验得出的流速、压强变化折线图如图6所示。

图6 流速和压强变化折线图

对比实验结果可以得出：仿真结果基本合理；随着与螺旋桨和传送装置的距离越近，水的流速越小，所受的压强也会越小；海水由压强高的位置往低的位置流，则所要打捞的浒苔会随着海水的流动附到传送装置上，也会被海水所产生的压力差压到传送装置上。由此可见，该负压吸附装置能明显提高浒苔的打捞效率。

4 结束语

针对人工清理浒苔难度大、效率低等问题，本研究设计了近岸浒苔负压打捞装置；采用负压吸附装置有效地加快浒苔的打捞速度。

针对负压吸附装置的实验及仿真结果表明：螺旋桨旋转在传送装置后方产生的负压影响范围和流速影响范围约为700 mm，在此范围内该吸附装置对浒苔的快速打捞吸附有明显效果。