耙吸挖泥船环保阀溢流效果试验与数值分析

2021-01-05石启正郑金龙赵子鉴毛涵宇

造船技术 2020年6期

于鼎，余龙*，石启正，郑金龙，隋毅，赵子鉴，毛涵宇

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 a.海洋工程国家重点实验室；b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240；2.中港疏浚有限公司，上海 201300)

0 引言

耙吸挖泥船具备较强的抗风浪能力[1]，在疏浚作业时采取行进中挖泥的方式，集挖泥、装泥和卸泥多种功能为一身，无需其他船只辅助，不会影响周围船舶航行[2-3]。在挖泥过程中，耙吸挖泥船船尾往往会形成严重的溢流扩散，对周围水域和海洋生物造成重大影响。有效减少耙吸挖泥船溢流扩散一直是研究热点。李云旺等[4]在多宾斯-坎普(DOBBINS-CAMP)模型中引入动态参数，对溢流损失进行预测和估算，提出简化的溢流损失动态分析模型；徐昶等[5]通过模型试验模拟装舱溢流施工过程，以舱内流速、舱内浓度、溢流进出口泥沙粒径等为主要控制因素，比较常用装舱装置的消能效果；张忱等[6]通过装舱溢流物理模型测量装舱结构和溢流装置在不同组合时装载量和流场分布等随时间的变化，得到有益于泥沙沉淀的装舱溢流组合；王培胜等[7]对泥舱系统进行动态建模，预估泥舱溢流量和溢流密度，并用实船装舱质量对溢流密度进行验证；赵津京等[8]采用MIKE3模型模拟不同工况下的泥沙装舱过程，分析不同工况下的舱内泥沙分布和装舱容积曲线，将模拟结果与测舱数据进行比较，发现该模型可较好地模拟泥沙沉降、悬浮等运动过程；SAREMI等[9]和SAREMI[10]对有无环保阀时溢流筒内气体体积分数进行对比，发现环保阀在特定角度时可有效减少空气进入混合液； DECROP等[11]发现在常规情况下，环保阀可高效地减少溢流在海面的扩散，但其效率会受到环保阀至船尾的距离、溢流筒直径、溢流浊度、浊液通过环保阀的相对速度等因素的影响。

通过模型试验和计算流体动力学(Computational Flaid Dynamics, CFD)数值模拟的方法，建立一种气液两相流模型，计算并验证环保阀的作用效果。通过模拟计算得到进口流量、泥舱内液面高度、环保阀角度之间的数学关系，提出根据进口流量调节阀板角度的控制策略，建立叠加式溢流筒的数值分析模型。

1 气液两相流模型

在耙吸挖泥船装舱溢流时，流动过程存在如下特点：两相流的上表面与空气直接接触，形成自由液面；在两相流进入溢流筒时，大量空气会因压差进入溢流筒，并由水流带动从溢流筒底部排出，若忽略少量由于浮力上浮的气泡，可认为气液两相具有相同的速度；在溢流过程中气液两相处于完全相同的环境，两相温度相同，彼此之间没有热力交换。根据上述特点，采用均相流模型进行耙吸挖泥船溢流过程的模拟，用以研究和验证环保阀减少空气进入溢流筒的作用，并通过模型试验与数值模拟的对比，验证该模型的准确性。基本控制方程如下：

连续性方程

W=ρMvMA=C

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

式(1)～式(3)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为比热容；dF为流体沿管流动的摩擦生热；C为常数。

数值模拟过程中的流动模型选择均相流模型，自由表面模型采用标准选项，湍流模型选择常用的k-ε模型，壁面函数为Scalable。

2 环保溢流筒模型试验

2.1 试验目的与主要仪器

试验主要模拟装舱溢流过程，使用高速摄像机拍摄环保阀附近的气体分布图像，通过8个电导率传感器测量溢流筒(见图1)内不同位置上的气体体积。电导率传感器(见图2)彼此之间间距2 cm。

图1 溢流筒模型图2 溢流筒内的电导率传感器

试验仪器主要还有泥舱内流速仪、水下高速摄像机、进舱出舱流量计等。泥舱及溢流筒的筒体由透明有机玻璃制成，可观察溢流筒内环保阀的闭合状态与气体体积分布。

2.2 试验条件

在模型试验中进行不同条件下多组测试，包括进舱流量(70～120 m3/h)、环保阀高度(距舱底26.7 cm、41.7 cm、56.7 cm)和环保阀角度的变化(水平夹角为20°、30°、45°、60°、75°)。当筒内不设环保阀时，进行3组不同入口流量的试验。

2.3 试验数据处理及分析

由模型试验得到的结果主要有两种：一是摄像机拍摄的图像，可直接进行观察；二是电导率传感器测得的各个点上的电导率。电导率在一定程度上可反映气体体积分数的大小，但是需要对测得的电导率进行一定换算，将其转化为筒内气体体积分数C，换算公式为

(4)

式中：RP为测量电极置于所述被测液体中的电阻值；R0为测量电极置于不含气的所述被测液体中的电阻值。试验中测得的为电导率，电阻等于电导率的倒数。

在试验中发现，电导率传感器8测得的数值与其他相差较大，因而认为该传感器的测量精确度存在一定问题，只取其他7个传感器测得的数值。换算后得到各点的体积分数如图3所示。

图3 模型试验不同角度时气体体积分数散点

由图3可知：当溢流筒内装有环保阀时明显减少溢流筒内的气体含量，各点的气体体积分数明显下降至0.1～0.3。由图3可发现：当环保阀水平夹角为30°和45°时，溢流筒内的气体含量明显减少；但达到45°后，继续增大环保阀角度不能再明显减小溢流筒内的气体含量。

3 试验尺度的数值模拟

3.1 几何与网格

对应模型试验，建立完整的泥舱模型，如图4所示。泥舱长为5.000 m，宽为1.650 m，高为1.350 m；溢流筒圆柱形部分直径为0.300 m，高为0.800 m；开口部分最大直径为0.600 m，高为0.083 m；溢流筒底面中心点距两侧壁面分别为0.800 m 和0.445 m。来流从右侧开口进入，从溢流筒底部排出。为了更好地与模型试验进行比较，在溢流筒内部设立相应测量点(对应模型试验中传感器的位置)，溢流筒内部网格如图5 所示。

图4 泥舱与溢流筒几何模型

图5 溢流筒内部网格

3.2 与模型试验的对比及误差分析

3.2.1 无环保阀时误差分析

在未安装环保阀时，溢流筒中间受边界干扰较小的1～4号测量点的体积分数如图6所示，模型试验结果与数值模拟接近。

图6 无环保阀时气体体积分数散点

3.2.2 有环保阀时误差分析

在安装环保阀后，溢流筒内的气体体积分数显著减小，当环保阀水平夹角为30°与45°时，不同测量点上的气体体积分数如图7所示。

图7 气体体积分数散点

数值模拟基本反映模型试验的规律，安装环保阀后溢流筒内的气体体积分数明显减小。数值模拟结果偏小的原因在于：试验采用的电导率传感器的结构尺寸较大，导致水流与传感器结构发生相互作用，产生一定量的气泡干扰。

4 环保阀效果验证及控制策略

在耙吸挖泥船装舱实际溢流过程中，根据进舱流量的不同，调整环保阀的开闭角度，可使舱内水位保持在一个比较合理的高度，不仅能保证装舱溢流效率，而且能减少空气进入溢流筒。为得到具体的控制策略，对试验尺度的环保溢流筒模型采用气液两相流模型，进行不同流量、不同角度时的CFD数值模拟。进口流量分别取80 ～120 m3/h，在不同环保阀角度(水平角度为0°、30°、45°、60°)时分别计算，得到不同条件下溢流筒内气体体积分数和液面高度。

4.1 计算结果及分析

图8为当入口流量为90 m3/h时，在不同环保阀角度下气体体积分数云图。由图8可知：在保持入口流量不变时，若未安装环保阀，溢流筒内部会充满大量的气体；当环保阀水平夹角为60°时，溢流筒内的气体有所减少，泥舱内的液面高度也有所上升；当环保阀水平夹角为30°或45°时，溢流筒内的气体明显减少，气体主要集中于入口与环保阀左上角，泥舱内的液面高度也较60°时有明显上升，但30°与45°之间变化不大；随着环保阀角度增加，虽然从上部吸入的空气减小，但是环保阀形状造成的空泡现象加剧。

图8 入口流量为90 m3/h时气体体积分数云图

4.2 泥舱内液面高度的控制

为明确环保阀水平夹角在45°～60°时泥舱内水位高度的变化规律，进行阀板与水平成50°或55°时的数值模拟，得到的进舱流量、水位高度和环保阀水平夹角之间的数据如表1所示，获得的控制曲线如图9所示。

图9 泥舱内水位高度关系

5 叠加式溢流筒数值模拟

5.1 几何模型

近年来，荷兰IHC公司开发一款塔式环保溢流装置“Plumigator”，顶部为开口形式，模型如图10所示。在单筒的数值模型基础上，拓展溢流筒为两筒叠加式和三筒叠加式，与国外产品不同的是，此叠加模型顶部封闭，如图11和图12所示。

图10 塔式环保溢流装置“Plumigator”

图11 两筒叠加式模型

图12 三筒叠加式模型

5.2 数值模拟结果

三筒叠加式溢流筒内气体沿中间筒壁流出，气体含量最少，具有显著效果，如图13所示。

图13 三筒叠加式气体体积分数云图

5.3 计算结果分析

3种溢流筒在相同进舱流量(80 m3)下进行数值模拟，取8个测量点的数据进行处理对比，得到3种溢流筒的气体体积分数散点，如图14所示，可以看出：单溢流筒、两筒叠加式和三筒叠加式的气体体积分数分别集中在0.4～0.6、0.2～0.3和0～0.1。两筒叠加式的气体体积分数相对单溢流筒减少47.8%，三筒叠加式相对减少89.1%，下降效果显著。