摘 要

本文借助计算流体力学软件FLUENT通过 ANSYS FLUENT数值模拟方法模拟了不同的格栅角度下，泥水混合物通过格栅后在耙吸式挖泥船耙头内部产生的流场特性，对不同结构参数和工作参数下耙头流场内部流体特性进行分析，探寻出流体在耙头内通过性最好，产生的涡流最小，发生泥沙集结的可能性最小的结构参数，为耙头的设计提供有用的建议

论文主要研究了随着格栅位置的变化，泥水混合物进入耙头后，在流经格栅时对耙头内流场的影响，通过研究分析，得出对流场影响最小时的格栅位置及结构参数。研究结果表明：

1. 当格栅角度为50°时，流体经过格栅时的通过性最好，在其尾部流场变化较为均匀，未出现明显涡流情况，泥沙在格栅处未发生明显的集结；
2. 改变入口流速发现：流速越快，格栅前端越易发生泥沙集结；
3. 改变入口泥沙浓度发现，泥沙浓度越高，格栅前端越易发生泥沙集结；
4. 双泵运行时，会在耙头内产生较高的负压，但对耙头内流场并未产生较大影响。

本文的特色：通过Fluent软件的计算，利用其计算结果及其强大的后处理功能，绘制出分析所需的各类云图，参考对比所绘制出的各类云图，得出相应的推断，再利用Fluent中的计算结果，绘制相应的曲线图来佐证之前的推论。

关键词：Fluent软件；格栅角度；流场变化；云图分析

Abstract

Through ANSYS FLUENT software in this paper, by means of computational fluid dynamics software FLUENT numerical simulation method to simulate the different Angle of grille, mud mixture through a grating at the trailing suction hopper dredger rake head after the internal flow field characteristics, under different structural parameters and working parameters of rake head internal fluid flow characteristics is analyzed, explore the fluid within the rake head through sex is best, the eddy current minimum, the possibility of sediment buildup the smallest structure parameters and provide useful Suggestions to rake head design

This paper mainly studies the influence of mud-water mixture on the flow field inside the rake head after entering the rake head with the change of the grid position. Through research and analysis, the grid position and structural parameters with the least influence on the flow field are obtained. The research results show that:

1. When the grid Angle is 50°, the flow through the grid is the best, the flow field changes evenly in the tail, there is no obvious eddy current, no obvious accumulation of sediment in the grid;

2. Changing the inlet velocity found that: the faster the velocity, the more prone to sediment accumulation at the front of the grid;

3. Change the entrance sediment concentration found that the higher the sediment concentration, the more prone to sediment aggregation at the front of the grid;

4. Double pump operation, will produce a higher negative pressure in the rake head, but has no significant impact on the rake head internal flow field.

Features of this paper: through the calculation of Fluent software, all kinds of cloud maps required for analysis are drawn by virtue of its calculation results and powerful post-processing function. By referring to all kinds of cloud maps drawn by comparison, relevant inferences are drawn, and the calculation results in Fluent are used to draw corresponding curves to support the previous inference.

Key words: Fluent software; Grille Angle; Change of flow field; Cloud image analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 耙头的基本结构及挖掘原理 1

1.2.1 格栅的基本结构 1

1.2.2 耙头的工作原理 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 研究的基本内容 4

1.5 研究的目的及意义 4

第二章 研究拟采用的技术方案及措施 5

2.1 Fluent软件简介 5

2.2 耙头的3D建模 5

2.3 边界条件 6

2.4 泥沙模型的选择 7

2.5 网格的划分 7

2.6 求解器的选择 8

2.7 求解方法 8

第三章 不同格栅角度下耙头内流场变化 10

3.1 对0°角格栅进行分析 10

3.1.1 对耙头横截面上各物理参数进行分析 11

3.1.2 对耙头纵截面上各物理参数进行分析 12

3.1.3 对耙头侧截面上各物理参数进行分析 15

3.2 对10°角格栅进行分析 18

3.2.1 对耙头横截面上各物理参数进行分析 18

3.2.2 对耙头纵截面上各物理参数进行分析 20

3.3 对0°格栅至60°格栅进行纵向比较 21

3.3.1 对耙头横截面上各物理参数进行分析 21

3.3.2 对耙头纵截面上各物理参数进行分析 23

第四章 其他变量变化时耙头内流场变化 26

4.1 入口流速变化时耙头内流场情况 26

4.2 当入口泥沙浓度时耙头内流场情况 28

4.3 当双泵串联运行时耙头内流场情况 30

4.4 本章小结 31

第五章 总结 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 34

第一章 绪论

• 1. 课题研究的背景

耙吸式挖泥船（TSHD）是一种可以在自航的同时进行施工的，集挖泥、装泥、运泥和卸泥等功能于一体的一种大型航道疏浚装备，因其具有自航性，所以并不需要其他船只进行辅助作业，且不会对其周围的其他船舶航行造成影响；又因其装载量大且具有良好的操纵性、强大的抗风能力、高效的作业效率、需要的辅助设备少等优点而在建设码头，维护和疏浚海船航道、内河航道的工作中起到重要作用，近几年来已渐渐成为航道疏浚业的主力。

现如今航海技术越来越发达，在疏浚航道、取运海沙等工程中，具有自航能力的耙吸式挖泥船往往扮演着重要的角色。耙吸式挖泥船的性能在很大程度上决定了工程进度以及工程效果等，耙吸式挖泥船最大的特点在于以耙头作为其挖泥设备，工作时利用耙头来挖掘搅拌航道下的泥土，疏松水下泥土，通过泥泵来抽吸泥浆，将其输送至舱内，以达到清淤、疏浚、工程开挖等目的，这是其与其它挖泥船最大的区别所在。而耙式挖泥船的工作效率和工作成本也与耙头的性能好坏有着莫大的关系，实际施工过程中，在挖掘泥土时，常常会因为粘土的粘结导致吸泥管的堵塞，导致施工效率大打折扣，因而拖延了工期。

考虑到其特殊性地位，耙吸式挖泥船的性能在施工过程中会被重点关注。通过观察船舶的工作状态，从施工工艺流程以及设备的优化等方面来提高耙吸式挖泥船的工作效率。而耙吸式挖泥船的耙头又是影响耙吸式挖泥船工作效率的重要因素之一，耙头格栅位置的不同对耙头内流场有着极大的影响，如果设计不合理将会造成耙头内涡流的产生，使泥沙在耙头内粘结，造成格栅阻塞，大大的降低了航道疏浚的工作效率，提高了耙头的维护率，缩短了耙头的使用寿命，增加了粑头的维护成本，在经济上形成极大的负担，而这些不良影响却都可以通过对耙头的优化设计达到减免的效果。

• 1. 耙头的基本结构及挖掘原理
     1. 格栅的基本结构

如图1.1所示，耙头的组成主要有固定罩壳和活动罩壳，前者主要起着引流导管的作用，后者主要用作调整角度，两者由销轴连接，活动罩可以在固定罩内一定范围内自由调整角度，为了避免工作的过程中发生泄漏，需要在固定罩和活动罩连接处使用橡胶条对其进行密封。高压冲水喷嘴和耐磨块安装在固定罩的下部，主动耙头活动罩则在两侧下方,使用螺栓来装配耐磨板。调节杆和压紧弹簧安装在活动罩和固定体的上部，主动耙头使用液压油缸来替代调节杆来调节压紧弹簧，起着连接活动罩、缓冲压力和调整挖泥角度的作用。固定体是连接耙头和耙吸管的一个呈方形喇叭口状的管道，上部设有高压冲水管，内部设有格栅，用来阻隔一些未破碎的大石块进入吸泥管。

图 1.1 耙头结构图

• • 1. 耙头的工作原理

耙头根据其工作原理的不同主要分为以下三种方式：

第一种方式一一冲刷。该方式是由船上的泥泵提供动力，工作时由泥泵会将吸泥管和耙头内空气抽吸掉，其内部会形成真空，在巨大的内外压差下，水流会从耙头与泥沙表面间的空隙流入耙头，又由于水流速度较快，会使泥沙表面压力降低，此时泥沙表面和内部间会有压差存在，此压差会使泥土破碎，从而形成泥水混合物，被吸入耙头内部。当疏浚河底土质为松软泥土时，该挖掘方式有着良好的效果。

第二种方式一一高压冲水。压力水经由船上高压水泵系统增加动能，再通过管道运送至高压喷嘴处，喷射出具有极高能量的高速水柱，水底的泥土会被高速水柱切割、破碎、冲散，同时被破碎的泥土块会和水充分混合搅拌，形成泥水混合物再被耙头吸入，并送至泥舱。

第三种方式一一机械切削。该方式是将安装在耙头底部的耙齿当做耙钉，将河底板结的泥土破碎，该过程类似于农耕时期的犁田，采取机械手段使泥土疏松并与水混合，形成混合物再被吸入耙头。

这三种方式，无论哪种最后都是形成了泥水混合物后再被吸入耙头，作为混合物，其主要的流动特点还是以液体为主，在耙头内运动符合流体力学的基本规律，因此我们可以利用ANSYS Fluent软件对耙头内流体运动及流场变化进行计算分析，并不需要逐个讨论。

• 1. 国内外研究现状

目前，国外诸多国家对耙头都有较为全面的理论研究，他们利用数学模型、数值分析方法、有限元计算等不同手段来分析不同切削角对耙头的影响，日本、荷兰和美国等早期就对挖泥船有所研究的国家已经拥有了一套较为成熟的疏浚仿真系统。

另外，国外各挖泥船制造商和疏浚公司就不同的疏浚条件，针对不同的土质，对耙头进行了不同方面的改良，设计并制造了众多专用耙头。如比利时某家疏浚公司针对硬粘土，研发了带有最大射流压力可达到38MPa的超高压射流系统(DRACULA)的专用耙头；荷兰某公司针对粘土夹砾石的土壤环境，研发出了一套具有高压冲水系统的专用主动耙头；荷兰另一公司为了增强耙头工作时的挖掘能力，研制了可以双排高压冲水的主动耙头。

以上实例充分表明，想要使得耙吸式挖泥船的的产量得以增加、效率得到提高，不会在工作时发生耙头阻塞的状况，除了不断改进和提高通用性耙头的性能外，还必须根据不同疏浚工程中所需要疏浚的不同土质条件来有针对性地研制相应的专用耙头以避免格珊堵塞、提高施工效率。

相较于外国，我国在疏浚设备领域的研究工作展开时间较晚，因此远落后于国际先进水平，现在仍处于较为初级的阶段，另一方面，我国自主独立研发的耙吸设备及相关施工工艺较少，对耙头的研究也是以仿照外国先进设计为主，专注于此方向的科研单位更是寥寥无几。

综上所述，目前就耙吸船耙头的研究，国外现已进行了相当全面且详细的理论研究，配备了较为完备的科研实验室，其发展阶段及发展速度皆处于领先地位，我国因起步较晚，与国际先进水平尚有较为明显的差距，可观的是我国现在已有部分科研单位及高校投入有关耙吸船耙头领域的研究中，进行了大量科学研究及实验，且已取得了一定的成绩和不错的效果，正向着国际先进水平稳步追赶

• 1. 研究的基本内容

本课题所研究的就是被安装在活动罩或固定体中的格栅，其主要目的是体积过大的泥沙被吸入泥泵，导致叶轮堵塞，同时对耙头起到一定的保护作用。

本课题通过数值模拟的方法分析耙头工作过程中耙头格栅相对于工作面的角度不同耙吸船耙头内流场的影响，为耙头格栅角度位置的设计提供参考，使各类粘土砂石在被耙头挖掘搅拌后进入耙头内部,在进行泥浆的混合和输送的过程中尽可能的减少内部阻力，使其可以快速顺利地进入泥舱，同时减少涡流产生区域内泥沙在耙头内粘结造成格珊堵塞，提高航道疏浚的工作效率，降低耙头的维护率，为今后疏浚工程的顺利开展提供技术保障。

• 1. 研究的目的及意义

通过 ANSYS FLUENT数值模拟方法模拟了不同的格栅角度对应下，耙吸船耙头内部流场特性，对不同结构参数和工作参数下耙头流场内部流体特性进行分析，从而为耙头的设计提供有用的建议。

该课题研究的目的在于通过ANSYS软件，探寻出一个耙头格栅的最适角度及位置，从而使各类粘土砂石在被耙头挖掘搅拌后进入耙头内部进行泥浆的混合和输送，在该过程中尽可能的减少内部阻力使其可以快速顺利的进入泥舱，同时减少涡流产生区域内泥沙在耙头内粘结造成格珊堵塞，提高航道疏浚的工作效率，降低耙头的维护率，缩短工期，降低成本。

第二章 研究拟采用的技术方案及措施

• 1. Fluent软件简介

Fluent是一种计算流体力学的软件,可以用来对可压缩或不可压缩的流体的流动过程进行模拟分析，为了达到最快的收敛速度和最高的求解精度，Fluent采用多种不同的求解方法和网格划分。由于其具有的灵活方便的网格划分能力和完善的物理模型，因此Fluent可以解决绝大部分流体运动问题和热量传递问题。

Fluent不仅可以利用已有的模型对流场进行模拟分析，还可以根据自己所需计算的流体情况，在Fluent中自定义相应的模型。Fluent同时还具有强大的后处理能力和数据输出功能，可以对计算结果进行数据处理，并生成相应的图表。

本次课题中，按照以下步骤操作Fluent软件：

1. 将使用SolidWorks所建立的模型导入Fluent软件中；
2. 利用软件对耙头模型进行网格划分，并在弯头及边界区域进行细化，加密网格；
3. 设置边界类型及其边界条件
4. 选择求解器(2D或3D等)及运行环境；
5. 选择计算模型：考虑重力、欧拉模型、二相流（水和泥沙）；
6. 确定流体的材料的物理特性，各相之间的表面张力、粘性系数等参数；
7. 对耙头内流场进行初始化，完成后再就行计算求解；
8. 完成计算后，利用已得数据，进行后处理工作，如绘制云图或曲线，保存计算结果及相关后处理工作；
9. 若计算发散或未收敛，可通过改变网格划分或其他方式，在重复以上操作。
   1. 耙头的3D建模

利用SolidWorks软件，首先根据图2.1耙头CAD图纸及图2.2耙头三维造型，了解耙头的模型及各个结构参数，由所得参数构造原始耙头3D模型,如图2.3所示，再根据开题报告所述，改变耙头内格栅角度，建立多个格栅角度模型，以方便后续毕设工作的顺利进行。

图2.1 耙头CAD图纸

图2.2 耙头三维模型

• 1. 边界条件

本课题主要是利用数值模拟的方式，分析泥水混合物在耙头及耙头吸入管道中的运移过程及流场分布。研究泥沙颗粒在耙头内的运行轨迹，通过与现场实测值的对比，验证所采用求解策略和边界条件的合理性。泥沙和水的混合物从耙头吸入口附近进入活动罩，经过格栅过滤，在泥泵的抽吸作用下，进入吸泥管，混合均匀的泥沙沿吸入管进入泥舱。进口采用速度进口，假设进口处颗粒和液体之间不存在滑移，且在进口截面上分布均匀。出口为压力出口，认为泥沙混合均匀且充分发展。壁面采用无滑移边界条件。

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