绞吸挖泥船切削系统流场建模与机理研究

Dredging is playing a more and more important role in flood control dredging, waterway regulation, port construction, environmental protection and marine resources development, etc. Dredger is the carrier of major equipments for dredging industry, and the cutting unit of the front device in the suction system, as a key component of the dredger, decides the dredging efficiency and energy consumption. This research is based on the development requirement of dredging industry, focuses on the coordination and optimization for device and system. The research, based on the analysis of several influencing factors on stable operation for the cutting unit of the front device in the suction system, builds a three-dimensional mechanical model in different cutting modes for specific dredging soil, analyzes and comprehends the movement mechanism and law of the flow field for the cutting unit, quantitatively describes the flow field form, constructs the relation model between the flow field form and suction characteristics, and provide theory support for dredger’s stable operation in complicated working conditions. The detailed research contents include: influencing factors analysis on cutter’s stable operation and three-dimensional cutting mechanical model, the movement mechanism analysis of the flow field for the cutting unit, study on the relation between the flow field form and suction characteristics and the experiment platform development of the suction system.

疏浚在防洪清淤、航道整治、港口建设、环境保护和海洋资源开发等领域发挥着重要作用。疏浚船舶是疏浚行业的主要设备载体，而吸扬系统前端装置切削系统又是其关键组成，决定着疏浚效率高低和能耗大小。本课题正是立足疏浚行业发展需求，着眼于各设备系统协调和优化配置，通过对绞吸式挖泥船吸扬系统前端装置切削系统稳定运行若干影响因素的分析，建立基于特定疏浚工质的不同切削形式下的切削三维力学模型，分析并掌握前端装置切削系统流场运动机理与规律，定量描述流场形态，构建流场形态与吸入特性间的关系模型，为疏浚复杂工况稳定运行提供理论基础支撑。具体研究内容包括绞刀稳定运行影响因素分析与切削三维力学建模、切削系统内流场运动机理分析、流场形态与吸入特性间的关系研究、吸扬系统综合试验平台研发。

疏浚船舶是疏浚行业的主要设备载体，而吸扬系统前端装置切削系统又是其关键组成，决定着疏浚效率高低和能耗大小。在绞吸式挖泥船吸扬系统相关研究中，国内外科研机构在泥沙切削过程、管道输送阻力特性、高效环保疏浚机具研发、自动绞刀控制技术、作业产量优化及疏浚安全施工等方面存在较多研究，而对于绞刀流场及泥浆颗粒在绞刀内部流场中复杂工况下运动规律研究较少，对吸扬系统的施工优化主要集中在疏浚设备参数之间的静态匹配和基于经验的粗放管理和简化计算，缺乏施工参数与绞刀流场特性之间的系统性研究。为此本项目深入分析了绞刀的二维切削理论，建立了基于特定疏浚工质的切削的三维力学模型，并围绕切削系统的切削机理、流场变化、多参数数字模型建立等问题开展研究，重要结果如下：.（1）改进挖煤截齿受力理论公式，并加以推导得到了相对完善的绞刀切削岩石刀齿磨损计算数学模型，之后分析绞刀磨损机理并结合受力模型推导出刀齿的磨损模型，为今后的绞刀磨损分析提供了很好的理论依据。.（2）建立并完善了绞吸式挖泥船刀齿座-切削系统-挖泥船坐标转换关系、切削系统三维切削模型和切削系统液固两相流DPM分析模型，开展了仿真分析。建立了适用于绞吸式挖泥船液固两相流的多相流模型，利用动网格和滑移网格技术模拟了切削系统绞刀旋转和横移运动，探索了绞刀旋转周期内泥浆形成与演变规律。.（3）利用双流体模型、动网格和滑移网格技术，仿真分析了切削系统在一个旋转周期内流体动态过程，探讨了液固两相体积分数和泥砂颗粒速度等时变特征，动态模拟了一个旋转周期内液固两相复杂流动过程。.（4）运用相似理论量纲分析法，建立了某型绞吸挖泥船切削系统原型和模型的关系，确定了模型和原型的工况参数、液固两相相关参数的比例系数，研制了多功能疏浚小型化疏浚模拟综合实验平台，为后续相关工作开展提供了实验平台。.