耙吸挖泥船环保溢流筒不同角度环保阀数值模拟

2020-11-27石启正郑金龙

水运工程 2020年11期

石启正，郑金龙

(中港疏浚有限公司，上海200120)

由于耙吸挖泥船在装舱过程中泥浆无法充分沉淀，将会在泥舱顶部形成浊液，并通过泥舱中的溢流筒从舱底排出。由于排出的浊液含有大量气泡，加上浊液与船体、螺旋桨之间的相互作用，浊液将长时间悬浮在水面上，在船尾形成溢流扩散。而当浊液排出泥舱后，溶解在泥浆中的空气会以气泡的形式上浮到水体表面，造成浊液长时间停留在水面，不仅影响水面的环境，甚至会造成海洋中的生物死亡。随着环保疏浚、海洋环境保护的要求日益提高，环保溢流筒技术受到越来越多的关注，因此，如何有效减少耙吸挖泥船的溢流扩散变得至关重要，通过在耙吸挖泥船上安装溢流消能装置，可以有效减少溢流液体中空气含量、降低对周围水域的污染。

耙吸挖泥船的装舱溢流过程属于气液两相流动，需要研究气体与液体两相介质在共同流动条件下的耦合规律[1]，采用均相流模型对气体与液体的物理性质和运动特性做合理的假设，将其视为一种均匀的混合物，假定计算单相模型的数学和物理方程依旧适用，这种模型广泛应用气液两相流模拟计算[2]。因此研究环保溢流筒中不同角度环保阀位置的数值模型，可有效控制施工区域溢流液中的污染物，对于港口环境改善有很重要的作用。

1 溢流筒改造

溢流筒中的环保阀由耐磨阀板和支撑、中间连杆、长连杆结构和升降油缸、支架结构以及线缆架组成。耙吸挖泥船溢流筒改造、设计需要考虑尽量利用原有结构，长连杆的支撑均利用原有十字撑。

耐磨阀板是环保溢流筒的主要承载构件[3]，要求在满载泥浆混合物时能够提供足够的强度和刚度以保持阀板的角度，也要考虑其耐磨性。当液压油缸驱动长连杆、带动中间连杆将直线运动转为阀板的绕轴开闭运动时，另外也要考虑泥浆充满溢流筒时阀板仍能正常工作。原溢流筒由上部活动筒体及下部套筒组成，下部套筒与三角舱相连固定。一方面，若上部活动筒体运动到泥舱较低位置，考虑其布置空间，环保阀安装在活动筒体下部；另一方面，若将环保阀安装在固定筒体底部，连接杆强度和油缸驱动能力要相应提高。

2 数值模型及网格划分

2.1 数值模型

本文采用CFX 中的均相流模型进行耙吸挖泥船装舱溢流过程的数值模拟，用以验证环保阀减少空气进入溢流筒的作用， CFX 中的均相流模型的基本控制方程如下:

连续性方程

能量方程

式中:W为质量流量； ρM为密度；vM为流速；A为流通面积；p为压强； z 为位移； τo为流体与壁面的摩擦剪应力；Ph为控制体周界长度(在圆管中Ph=πD)；g为重力加速度； θ 为流速方向与水平方向的夹角；G为质量流速；vn为比容；F为单位质量的能力损失。

2.2 搭建模型及网格划分

泥舱几何模型根据万方耙吸挖泥船泥舱及参数建立，但为了后面数值模拟方便，且不影响整个数值模拟的准确性，需要在以下几个方面进行修改。 1)实船上有2 个溢流筒，且溢流筒沿泥舱中纵剖面对称分布。为了减少计算量，可以根据对称性原理建立模型，只对半个泥舱进行模拟分析。 2)疏浚管路共2 套，只要对其中1 套疏浚管路进行模拟计算。疏浚管内径为1.2 m，换算成面积为1.13 m2，模拟时简化为一个边长1 m 的正方形，但两者的进舱流量保持相同，取总进舱流量的一半，为12 600 m3∕h。由于进口面积略有不同，进舱时的流速也略有不同，但是进口离溢流筒的距离甚远，加上两者的流速相差本来就不大，因而面积不同带来的影响可以忽略。 3)在实船上，溢流筒高度可以上下调节，但在数值模拟中取固定值为12 m。

泥舱模型见图1。泥沙从左侧入口进入，由溢流筒底部的出口流出。图1 中粗实线框出对称面，在实船上泥舱和溢流筒沿该面对称分布。在进行数值模拟时，将该面的边界条件设置为symmetry，溢流筒入口附近的网格见图2，溢流筒入口附近及环保阀附近是流动变化最为明显的地方，因而环保阀附近网格需要进行加密处理，并在环保阀壁面设置边界层[4]。模拟计算之前，以阀板与水平方向的夹角为45°时为例，截取环保阀附近的网格，见图3。对环保阀附近的网格进行了加密处理，总体网格数量为2 183 602。

图1 泥舱模型

图2 溢流筒入口附近网格

图3 环保阀附近的网格

3 数值结果分析

3.1 泥沙从泥舱左侧入口进入

本节数值模拟主要是为了验证环保溢流筒应用于实船上的效果，也为指导环保溢流筒实船操作打下基础。在图4 中，依次为泥舱溢流筒内无环保阀、环保阀水平夹角为45°、环保阀水平夹角为30°时的溢流筒内气体体积分数云图。从图4 可以看出，溢流筒内未安装环保阀时，溢流筒内存在较大的气体含量；在环保阀水平夹角为45°时，溢流筒内也存在大量气体，但是相对于无环保阀气体含量明显减少；直到环保阀水平角度达到30°时，溢流筒内气体含量显著减少，且比无环保阀、环保阀水平夹角为45°的气体含量明显降低[5]。

图4 泥沙入口位于泥舱左侧时泥舱及溢流筒中气体体积分数云图

为了进一步详细了解溢流筒内部情况，在溢流筒内每隔1 m 截取一个平面，每个截面上均匀取500 个点，取截面各个点平均值为截面气体体积分数，以各截面气体体积分数的平均值为溢流筒内的气体体积分数，得到3 种情况时溢流筒内气体体积分数的数值，见表1。

表1 溢流筒内气体体积分数值

从表1 可以看出，安装环保阀后溢流筒内的体积分数还是有所减少，尤其是在环保阀水平夹角为45°时仅减少了10.5%。而在环保阀水平夹角为30°时减少了37.3%，明显比环保阀水平夹角为45°时气体体积分数减少量多且效果显著，也进一步证实了安装环保溢流筒确实有助于减少溢流液中的气泡含量。

3.2 泥沙从泥舱中间位置进入

在3.1 的数值模拟中，将入口的位置设置在泥舱的最左侧，但在船舶实际装舱过程中，耙吸挖泥船通过泥泵，经过疏浚管道将泥沙混合物输送到泥舱，疏浚管道位于泥舱的正上方，泥沙由泥舱上方进入泥舱。为了更精确地模拟环保溢流筒实船应用情况，先将模型中的泥沙入口位置移到接近泥舱中间位置(图5)，观察该种情况下泥舱内的气体分布情况[6]。

图5 泥沙入口位于中部时泥舱模型

将疏浚管入口移至泥舱中间时，分别模拟了溢流筒内不安装环保阀和环保阀水平夹角为45°两种情况，其数值模拟结果见图6。在溢流筒内未安装环保阀时，入口位置在泥舱最左侧和泥舱中间时气体体积分数分别为0.175 6%和0.151 4%，气体体积分数略有减小；当环保阀水平夹角为45°时，将泥沙入口位置由最左侧变为中间时，如图6c)所示，环保阀上端会有空泡现象产生，溢流筒内的气体体积分数会有所增大，由此可见泥沙入口位置会对实船安装环保阀的效果有所影响。

图6 泥沙入口位于泥舱中间时泥舱及溢流筒气体体积分数云图

3.3 完整泥舱模型

在3.2 数值模拟中，泥舱内只由1 个溢流筒构成，溢流筒的附近即为舱壁；但在实际上耙吸挖泥船泥舱内有2 个溢流筒，在泥沙溢流时2 个溢流筒之间流态会存在相互影响。在耙吸挖泥船装舱溢流时，操作人员会根据施工的实际情况，选择仅使用其中之一或者同时使用2 只溢流筒[7]，所以应搭建完整的耙吸挖泥船泥舱模型，见图7。模拟工况可以分为2 种情况: 1)工况1。其中1 只溢流筒正常溢流，将另1 只溢流筒的底部封闭。2)工况2。 2 只溢流筒同时工作。

图7 2 只溢流筒的泥舱模型

工况1 仅让1 只溢流筒正常溢流，将另1 只溢流筒的底部封闭，泥舱模型见图7，溢流筒和入口位置与耙吸挖泥船实船泥舱保持基本一致。溢流筒内的气体积分数云图见8、 9。通过图8、9 可以看出，封闭的筒内几乎不存在任何气体，正常工作的筒内存在大量的气体，而且环保阀上端会产生空泡现象，上部溢流筒口吸入的空气量减少。

图8 工况1 沿船长方向泥舱气体体积分数云图

图9 工况1 溢流筒内气体体积分数云图

作为参照，对工况2 进行数值模拟， 2 只溢流筒同时工作时的气体体积分数云图见10。 2 只溢流筒同时工作时溢流筒内都存在气体，但气体分布和1 只溢流筒工作时有所区别， 1 只溢流筒工作时环保阀上端产生空泡现象比2 只溢流筒同时工作时环保阀上端产生空泡现象有所减缓，上部溢流筒口吸入的空气逐渐减小，主要是由于进口流量、泥舱内液面高度所决定的。