基于CFD的某負(fù)壓吸附裝置水動(dòng)力學(xué)特性分析*

孫 川，張慶力*，劉貴杰，郭 棟，連軍帥，何 銳

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島光明環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 青島 266100)

0 引 言

近年來，青島海域經(jīng)常由于滸苔爆發(fā)性增殖而引起水體變壞[1]。滸苔是一種分布廣泛的大型石莼綠藻，大量滸苔漂浮聚集到近海，不但會(huì)阻塞航道，還會(huì)破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)[2-3]。為了消除滸苔帶來的負(fù)面效應(yīng)，并使其變廢為寶[4-8]，國內(nèi)外不少專家對(duì)滸苔的打撈和處理進(jìn)行了研究[9-12]。

目前，研發(fā)人員設(shè)計(jì)了多種滸苔打撈船[13]，提高了滸苔的打撈效率。但由于近岸灣區(qū)水域流動(dòng)性差，易造成近岸滸苔積聚；又因近岸海域面積較小，水深較淺，現(xiàn)有滸苔打撈船只無法靠近。

針對(duì)這一問題，本文將提出負(fù)壓吸附滸苔的方法。

1 負(fù)壓吸附裝置的結(jié)構(gòu)介紹

1.1 負(fù)壓吸附裝置工作原理

負(fù)壓吸附打撈裝置由支架、傳送網(wǎng)帶、螺旋槳和液壓馬達(dá)等組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓吸附裝置工作原理1-支架；2-傳送網(wǎng)帶；3-擋板；4-螺旋槳

圖1中，液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，使前后產(chǎn)生負(fù)壓，在水中產(chǎn)生局部水流，將滸苔吸附到打撈船的傳送鏈上，實(shí)現(xiàn)滸苔的打撈。

負(fù)壓吸附裝置的關(guān)鍵部件是螺旋槳。在實(shí)際工作狀態(tài)下，螺旋槳前端有網(wǎng)狀傳送帶，對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾流造成一定的影響，因此，在仿真過程中，需要在螺旋槳的前段設(shè)置一帶孔的擋板。

1.2 螺旋槳的設(shè)計(jì)特性

螺旋槳的直徑、螺距比、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速等，都會(huì)對(duì)負(fù)壓大小和水的局部流速產(chǎn)生影響，直接影響負(fù)壓吸附裝置的工作性能。

1.2.1 螺旋槳直徑

螺旋槳在固定處旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉梢的軌跡稱為梢圓，其直徑即為螺旋槳直徑D。通常螺旋槳的直徑越大，轉(zhuǎn)速越慢，效率越高；但直徑過大時(shí)，槳葉盤面處的平均伴流會(huì)減小。因此，在選擇螺旋槳直徑時(shí)，要考慮傳送裝置的尺寸和近岸灣區(qū)的面積及水深。

液壓馬達(dá)功率與螺旋槳直徑的關(guān)系式為：

(1)

式中：W—功率；D—螺旋槳直徑；H—螺距；V—轉(zhuǎn)速。

結(jié)合傳送裝置的寬度，根據(jù)式(1)計(jì)算得到螺旋槳直徑參數(shù)為D=300 mm。

1.2.2 螺距

本研究取某半徑處與螺旋槳共軸的圓柱面剖分槳葉，截得槳葉剖面，將該葉剖面的鼻尾線延長，環(huán)繞軸線一周，其兩端點(diǎn)的軸向距離即是該槳葉半剖面的螺距H[14]，則有：

F=D×H×L槳寬×P大氣壓×V2×0.25

(2)

式中：F—螺旋槳推力。

根據(jù)式(2)可得，螺距越大，槳的推力越大。

1.2.3 螺距比

螺距比H/D是表征螺旋槳幾何特性的一個(gè)重要因素，H/D愈大，槳葉對(duì)槳軸的傾斜度愈大。本文選用的螺距比為0.8，則可得到H=240 mm。

1.2.4 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速選擇時(shí)考慮：(1)要保證對(duì)灣區(qū)滸苔有效打撈；(2)當(dāng)螺旋槳超過最佳轉(zhuǎn)速后，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍的水來不及流過來，會(huì)產(chǎn)生“空泡”現(xiàn)象，降低吸附效果[15]。本文選擇一個(gè)液壓馬達(dá)，使其帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速為250 r/min。

2 吸附裝置螺旋槳運(yùn)動(dòng)特性分析

針對(duì)工作狀況下螺旋槳?jiǎng)討B(tài)流場壓力及流場速度，本文采用Fluent對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算[16]，結(jié)果作為螺旋槳周圍流場分布的仿真依據(jù)。

2.1 負(fù)壓吸附裝置模型構(gòu)建

本文用NX10.0構(gòu)造了螺旋槳模型。實(shí)際工作條件下，螺旋槳前方有網(wǎng)狀的滸苔傳輸裝置，根據(jù)傳輸裝置的網(wǎng)孔大小，本文構(gòu)造了簡化的帶孔擋板，用以代替滸苔傳輸裝置。

負(fù)壓吸附裝置模型如圖2所示。

圖2 負(fù)壓吸附裝置模型

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行葉片部分的劃分，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

以螺旋槳直徑為300 mm，葉片厚度為4 mm的螺旋槳為例，本研究使用GAMBIT對(duì)其用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

負(fù)壓吸附裝置網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 負(fù)壓吸附裝置網(wǎng)格劃分

圖3中，擋板面網(wǎng)格大小為3 mm，螺旋槳網(wǎng)格大小為4 mm。

2.3 邊界條件設(shè)定

本研究將模型置于流場域中，流場域尺寸取長15 000 mm，寬度和高度為7 500 mm。該區(qū)域?yàn)榱鲌隹刂企w的靜止區(qū)域。在螺旋槳模型附近再建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，假定該區(qū)域的流場域內(nèi)流場繞X軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際螺旋槳轉(zhuǎn)速，設(shè)定流場轉(zhuǎn)速為300 r/min。螺旋槳相對(duì)該區(qū)域內(nèi)水流呈靜止?fàn)顟B(tài)。

2.4 流場模擬及計(jì)算

本文得出的流場速度、流場壓強(qiáng)變化圖如圖4所示。

圖4 流場速度和壓強(qiáng)變化云圖

從圖4可以看出：(1)在傳輸裝置吸附滸苔一側(cè)的海水有一定的流速，隨著距離傳輸裝置越近，海水的流速會(huì)減??；(2)在帶有開口網(wǎng)格的傳輸裝置吸附滸苔的一側(cè)的海水有一定的負(fù)壓，所產(chǎn)生的負(fù)壓一直延續(xù)到傳輸裝置，隨著距離傳輸裝置越近，海水的壓力會(huì)越來越小。

2.5 流場計(jì)算結(jié)果輸出

本研究在Fluent后處理中輸出螺旋槳周圍流場的速度矢量分布數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真需要按照一定距離截取相對(duì)于傳送裝置與螺旋槳相反一側(cè)截面上的速度矢量分布，根據(jù)需要調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度，導(dǎo)出螺旋槳附近速度矢量分布變化曲線和壓強(qiáng)分布變化曲線如圖5所示。

圖5 流速和壓強(qiáng)變化曲線

由圖5可知：(1)由于傳輸裝置帶有通孔，會(huì)有一定的海水從傳輸裝置通過通孔流過，但距離越近流速會(huì)越??；(2)由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，傳輸裝置附近的水壓逐漸減小。

3 螺旋槳?jiǎng)討B(tài)特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行螺旋槳?jiǎng)討B(tài)特性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為螺旋槳、傳輸裝置、DATA-52壓力變送器、LGY型智能流量流速儀等。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

(1)打開液壓馬達(dá)，使螺旋槳保持一定的速度旋轉(zhuǎn)；(2)在液壓馬達(dá)外側(cè)垂直于出口的斷面上取5條垂直于出口面的直線，每條垂線均勻布置5個(gè)測點(diǎn)；(3)測出螺旋槳尾流水壓力和流速；(4)根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制流速、壓強(qiáng)變化曲線。

3.2 結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)得出的流速、壓強(qiáng)變化折線圖如圖6所示。

圖6 流速和壓強(qiáng)變化折線圖

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：仿真結(jié)果基本合理；隨著與螺旋槳和傳送裝置的距離越近，水的流速越小，所受的壓強(qiáng)也會(huì)越??；海水由壓強(qiáng)高的位置往低的位置流，則所要打撈的滸苔會(huì)隨著海水的流動(dòng)附到傳送裝置上，也會(huì)被海水所產(chǎn)生的壓力差壓到傳送裝置上。由此可見，該負(fù)壓吸附裝置能明顯提高滸苔的打撈效率。

4 結(jié)束語

針對(duì)人工清理滸苔難度大、效率低等問題，本研究設(shè)計(jì)了近岸滸苔負(fù)壓打撈裝置；采用負(fù)壓吸附裝置有效地加快滸苔的打撈速度。

針對(duì)負(fù)壓吸附裝置的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果表明：螺旋槳旋轉(zhuǎn)在傳送裝置后方產(chǎn)生的負(fù)壓影響范圍和流速影響范圍約為700 mm，在此范圍內(nèi)該吸附裝置對(duì)滸苔的快速打撈吸附有明顯效果。