基于CFD-DEM方法的挖泥船绞刀导送性能研究
发布时间：2021-10-06 17:44
为了研究绞吸式挖泥船水下绞吸砂土的效率问题,结合计算流体力学和离散单元法提出了一种研究绞刀绞吸过程的三维数值模拟方法,并且建立了基于绞刀的流体计算域模型和砂土的离散元接触模型。利用这两个模型模拟了砂土被挖泥船绞刀切下以及通过管道排出的完整过程,得到了五臂绞刀和六臂绞刀在不同转动速度和横移速度下的绞刀转动功率和导送效率的变化规律,并与实船数据进行了对比。结果表明:转速恒定时,绞刀转动功率和导送效率随着横移速度的增大而逐渐上升;当横移速度恒定时,绞刀转动功率随着转速增大显著上升,而导送效率先上升然后又降低;在不同工况下两种绞刀的转动功率基本相同,但六臂绞刀的导送效率优于五臂绞刀;数值模拟获得的绞刀转动功率和导送效率与实船数据对比误差分别约为15%和25%,验证了本数值模拟方法的可行性。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(04)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
绞刀三维模型Fig.23Dmodelofthecutter(a)
6所示。由图可见：初始时刻绞刀与砂土颗粒相对静止；t=0.5s时砂土受到绞刀转动和泵吸的影响开始逐渐进入管道中；t=0.8s时更多颗粒因为绞刀的转动开始旋转起来；t=1.2s时进入管道里面的颗粒沿管道上升，管道外面的颗粒因为流场的影响围绕管道螺旋上升。绞吸时颗粒行为与实际相符，说明此数值模拟方法有效。图6不同时刻绞吸图Fig.6Graphicsofcuttingandsuctionprocessatdifferenttimes3.2绞刀功率数值模拟通过离散元软件统计了不同工况下绞刀水下绞吸砂土的过程中，绞刀转动所消耗的功率情况，如图7和图8所示。可见两种绞刀在不同工况下的功率变化规律为：当绞吸稳定时，两种绞刀的转动功率随着转动速度和横移速度的增加都明显上升。图7转动速度对转动功率的影响Fig.7Effectofrotatingrateonrotationpower图8横移速度对转动功率的影响Fig.8Effectoftransversevelocityonrotationpower绞刀的转动功率取决于绞刀和颗粒之间的相互作用情况，转动速度或者横移速度增大时，这种相互作用关系都会变得更紧密，因此功率也随之增大。其中转动速度增大时，这种相互作用关系更明显，所以功率的增加也更为显著。两种绞刀在不同转动速度和横移速度下不仅功率的变化规律一致，而且功率大小也基本相同。
第4期张岩松，等：基于CFD-DEM方法的挖泥船绞刀导送性能研究1429行了基于Fluent的加料滚筒内物料运动模拟分析等。离散相模型基于颗粒轨道理论，一般将体积分数很低的颗粒相作为拟流体，统计决定一个颗粒的“平均轨道”，并且假设颗粒群中颗粒的分布服从高斯概率分布函数。这种计算方法忽略了颗粒之间的相互作用以及颗粒体积分数对连续相的影响，无法还原离散系统真实的颗粒属性，精度也不够理想。本文利用离散单元法(DiscreteElementMethod，DEM)求解颗粒相，用流体动力学的方法求解连续相，充分考虑砂土颗粒之间以及砂土、绞刀与流体之间的相互作用，进行较为完整的绞刀水下绞吸砂土过程的数值模拟；分析五臂和六臂两种绞刀在绞吸砂土时，绞刀转动功率和导送效率随转动速度和横移速度的变化规律。2数值模拟方法2.1基本算法本文利用基于离散单元法的EDEM软件和计算流体动力学软件Fluent进行流固耦合分析，求解砂土由绞刀切下后进行导送的过程。离散单元法是分析与求解复杂离散系统动力学问题的数值方法，与求解复杂连续系统的有限元法具有类似的物理含义和平行的数学概念，但是两者使用不同的数值模型与处理手段。离散单元法是由文献[9-11]提出的用以解决岩石力学大变形问题以及土体破坏过程的一种方法。该方法以牛顿运动学第二定律为基础，采用有限差分法通过相邻颗粒间力和位移的迭代，进而求解整个介质系统的变形、破裂及演化过程。另外，本文采用欧拉-欧拉耦合方法，通过修改体积分数的做法，引入附加的连续性方程来描述相之间的相互作用。能量不会在相之间进行传递，因此只需要遵守质量守恒和动量守恒。考虑流体相的质量连续性方程可以表示为FFFFFP()()(m)ttv(1)式中：F为流体体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]加载速度对黏土强度影响的数值模拟研究[J]. 何健,吴大林,马吉胜,赵建新. 应用力学学报. 2019(04)
[2]基于Fluent的加料滚筒内物料运动模拟分析[J]. 常玮,黄亚宇. 电子科技. 2019(11)
[3]基于流固耦合的喷砂机摇臂系统模态分析[J]. 罗勇,熊瑞平,黄文强,赵亚文,梁齐齐. 机械. 2018(12)
[4]纵向涡发生器排数对三维喷动床内气-固两相流动影响数值模拟[J]. 张洁洁,尚灵祎,吴峰,马晓迅,杨剑. 石油学报(石油加工). 2018(05)
[5]粉质粘土结构性参数试验研究[J]. 刘家顺,王来贵,张向东,李旭盈,赖鹏安. 应用力学学报. 2018(04)
[6]乔木根土复合体的抗剪强度实验研究[J]. 丰田,李光范,胡伟,陈新,赵璞. 应用力学学报. 2018(03)
[7]挖泥船绞刀挖岩过程的数值模拟[J]. 张凌博,蔡宗熙,李瑞祥,刘俸麟,韩美东. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[8]黄泛区非饱和粉土压缩模量和有效应力参数的探讨[J]. 徐安全,岳建伟,宋达,杨光辉. 应用力学学报. 2017(04)
[9]基于ALE方法的射流冲刷砂土和黏土的数值计算[J]. 顾磊,倪福生,张浩. 科学技术与工程. 2017(11)
[10]绞吸式挖泥船绞刀切削受力及其影响因素分析[J]. 凌良勇. 船海工程. 2014(04)
本文编号：3420464
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(04)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
绞刀三维模型Fig.23Dmodelofthecutter(a)
6所示。由图可见：初始时刻绞刀与砂土颗粒相对静止；t=0.5s时砂土受到绞刀转动和泵吸的影响开始逐渐进入管道中；t=0.8s时更多颗粒因为绞刀的转动开始旋转起来；t=1.2s时进入管道里面的颗粒沿管道上升，管道外面的颗粒因为流场的影响围绕管道螺旋上升。绞吸时颗粒行为与实际相符，说明此数值模拟方法有效。图6不同时刻绞吸图Fig.6Graphicsofcuttingandsuctionprocessatdifferenttimes3.2绞刀功率数值模拟通过离散元软件统计了不同工况下绞刀水下绞吸砂土的过程中，绞刀转动所消耗的功率情况，如图7和图8所示。可见两种绞刀在不同工况下的功率变化规律为：当绞吸稳定时，两种绞刀的转动功率随着转动速度和横移速度的增加都明显上升。图7转动速度对转动功率的影响Fig.7Effectofrotatingrateonrotationpower图8横移速度对转动功率的影响Fig.8Effectoftransversevelocityonrotationpower绞刀的转动功率取决于绞刀和颗粒之间的相互作用情况，转动速度或者横移速度增大时，这种相互作用关系都会变得更紧密，因此功率也随之增大。其中转动速度增大时，这种相互作用关系更明显，所以功率的增加也更为显著。两种绞刀在不同转动速度和横移速度下不仅功率的变化规律一致，而且功率大小也基本相同。
第4期张岩松，等：基于CFD-DEM方法的挖泥船绞刀导送性能研究1429行了基于Fluent的加料滚筒内物料运动模拟分析等。离散相模型基于颗粒轨道理论，一般将体积分数很低的颗粒相作为拟流体，统计决定一个颗粒的“平均轨道”，并且假设颗粒群中颗粒的分布服从高斯概率分布函数。这种计算方法忽略了颗粒之间的相互作用以及颗粒体积分数对连续相的影响，无法还原离散系统真实的颗粒属性，精度也不够理想。本文利用离散单元法(DiscreteElementMethod，DEM)求解颗粒相，用流体动力学的方法求解连续相，充分考虑砂土颗粒之间以及砂土、绞刀与流体之间的相互作用，进行较为完整的绞刀水下绞吸砂土过程的数值模拟；分析五臂和六臂两种绞刀在绞吸砂土时，绞刀转动功率和导送效率随转动速度和横移速度的变化规律。2数值模拟方法2.1基本算法本文利用基于离散单元法的EDEM软件和计算流体动力学软件Fluent进行流固耦合分析，求解砂土由绞刀切下后进行导送的过程。离散单元法是分析与求解复杂离散系统动力学问题的数值方法，与求解复杂连续系统的有限元法具有类似的物理含义和平行的数学概念，但是两者使用不同的数值模型与处理手段。离散单元法是由文献[9-11]提出的用以解决岩石力学大变形问题以及土体破坏过程的一种方法。该方法以牛顿运动学第二定律为基础，采用有限差分法通过相邻颗粒间力和位移的迭代，进而求解整个介质系统的变形、破裂及演化过程。另外，本文采用欧拉-欧拉耦合方法，通过修改体积分数的做法，引入附加的连续性方程来描述相之间的相互作用。能量不会在相之间进行传递，因此只需要遵守质量守恒和动量守恒。考虑流体相的质量连续性方程可以表示为FFFFFP()()(m)ttv(1)式中：F为流体体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]加载速度对黏土强度影响的数值模拟研究[J]. 何健,吴大林,马吉胜,赵建新. 应用力学学报. 2019(04)
[2]基于Fluent的加料滚筒内物料运动模拟分析[J]. 常玮,黄亚宇. 电子科技. 2019(11)
[3]基于流固耦合的喷砂机摇臂系统模态分析[J]. 罗勇,熊瑞平,黄文强,赵亚文,梁齐齐. 机械. 2018(12)
[4]纵向涡发生器排数对三维喷动床内气-固两相流动影响数值模拟[J]. 张洁洁,尚灵祎,吴峰,马晓迅,杨剑. 石油学报(石油加工). 2018(05)
[5]粉质粘土结构性参数试验研究[J]. 刘家顺,王来贵,张向东,李旭盈,赖鹏安. 应用力学学报. 2018(04)
[6]乔木根土复合体的抗剪强度实验研究[J]. 丰田,李光范,胡伟,陈新,赵璞. 应用力学学报. 2018(03)
[7]挖泥船绞刀挖岩过程的数值模拟[J]. 张凌博,蔡宗熙,李瑞祥,刘俸麟,韩美东. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[8]黄泛区非饱和粉土压缩模量和有效应力参数的探讨[J]. 徐安全,岳建伟,宋达,杨光辉. 应用力学学报. 2017(04)
[9]基于ALE方法的射流冲刷砂土和黏土的数值计算[J]. 顾磊,倪福生,张浩. 科学技术与工程. 2017(11)
[10]绞吸式挖泥船绞刀切削受力及其影响因素分析[J]. 凌良勇. 船海工程. 2014(04)
本文编号：3420464
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