耙頭二維的流場的模擬與分析畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 了合理的追求，其中一個重要的途徑就是通過較少的投資追加，使其具有一些附加功能，從而提高該船的利用率，增加額外利潤。如：大型耙吸挖泥船加裝自排吹岸系統；耙吸船同時兼顧污油回收；小型耙吸船上加裝抓斗；小型抓斗挖泥船加長扒桿兼做起重等。大型化、多功能化的耙吸挖泥船需要更加人性化的設置，也就是智能化的設計。高度智能化主要是指挖泥船作業的儀表化和自動化。由于疏浚作業時取土過程在水下，所以其操作過程不可見。隨著高科技的推廣應用，通過計算機技術和僅表將這個不可見的過程及時、準確示在操作人員面前，大大簡化了操作程序，提高了效率，進而提高了經濟性。因此，裝艙監視儀、耙管位置顯示儀、產量計、挖泥斷面顯示儀的設置是必不可少的，這些設備的使用保證了挖泥船工作時的挖掘精度。第三節 現代化的耙吸式挖泥船一、耙吸式挖泥船的結構耙 吸 式 挖 泥 船 是 一 種 從 海 底 挖 泥 的 ， 自航式的深海或內陸船。 按照設計標準，耙吸式挖泥船具體裝備有下面幾部分，如圖 22：（一）帶有吸嘴的耙吸管，即耙頭，挖泥時用于耙吸海床； （二）泥泵，用于耙吸被耙頭耙松了的土壤； （三）泥艙，可堆存耙吸的泥水混合物； （四）溢流系統，用于排出泥艙裝艙過程中多余積水； （五）位于泥艙內的底門，用于卸載泥水混合物； （六）位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管； （七）波浪補償器，用來補償耙頭與海床接觸時耙頭與船體垂直方向的相對運動。5圖 22 耙吸式挖泥船示意圖二、耙吸式挖泥船的特色耙吸式挖泥船同時也具有自己的特色，不同于鏈斗、抓斗、正(反) 鏟、絞吸挖泥船的長方型的船型, 它具有自航船的線型與總體外形, 具有自載與自卸的能力, 適合于海況較為復雜的海域疏浚, 無需錨泊定位挖掘, 適宜遷航, 其疏浚效率高, 是近來航道疏浚發展的方向。同時耙吸式挖泥船也具有如下兩個優點：（一）船體不在固定位置上工作，故沒有拋錨用繩纜，而可以自由移動，這對于海港區域的疏浚是非常重要的； （二）耙吸式挖泥船非常適合遠海疏浚作業。三、耙吸式挖泥船的應用領域耙吸式挖泥船的應用廣泛，在疏浚業被美名為“孺子?！?。耙吸式挖泥船工作過程中不需要拋錨定位，因而不會給其它船舶的航行造成障礙。早期耙吸式挖泥船主要用于加深和維護航道。如今的耙吸式挖泥船還可用于圍海造田。 可被耙吸的物質主要是淤泥和沙子，黏土有時也可被耙吸上來，但易造成耙頭和柵欄（置于耙頭內后部）的堵塞。用耙吸式挖泥船來挖掘巖石在大部分情況下是不經濟的，耙頭要求非常沉重，而且產量一般很低。6第三章 耙頭的工作原理與改進第一節 耙頭的工作原理一、 耙頭的結構與工作原理耙頭種類繁多，加利福尼亞耙頭現是我國疏浚領域用的較為廣泛的耙頭，本論文就以加利福尼亞耙頭作為例子來加以說明，如圖31和32 。它主要由一個固定部分的罩殼作引流導管連同兩個并列可獨立活動，并能自行調整角度的頭盔形罩殼組成?；顒诱謿し謩e與固定罩殼用銷軸連接，活動罩殼可在固定罩內自由轉動45度角活動罩與固定罩接合面外用橡膠密封，形成密閉通道。在固定罩的下部設有耐磨塊與高壓沖水噴嘴，蓋形活動罩的下邊緣鑲有易于更換的耐磨塊。同時在蓋形罩的上部分別裝有導向桿和壓緊彈簧，與固定罩連接起限位和緩沖作用。在固定罩殼的中間上部設有一高壓沖水管，固定罩為方形喇叭口管，也作為耙頭的連接管。它與高壓沖水管一起分別與耙吸管和沖水管連接。耙頭側還裝有橡膠靠旁，以免碰壞船側板。圖 31 圖 32 加利福尼亞耙頭它的工作原理是：挖泥時，一方面耙頭隨耙管在船體前進時其底邊與泥底的間隙里流過高速水流，將砂土沖刷下來進入耙頭；另一方面高壓水由耙頭上的噴嘴噴射出，沖散板結砂土，再加刀刃的切泥，形成沖切互相作用，使泥砂懸浮，然后由泥泵產生的真空壓力差，將懸浮的泥漿,砂礫吸入耙管輸送到泥艙。所以耙頭的工作原理歸結為沖刷，高壓沖水，機械切削，要提高耙頭性能就必須從這三個詞入手加7于解決。二、耙頭的選用選擇和設計耙頭，知道將要挖掘的土壤類型是非常重要的。土壤的類型決定了挖掘過程是水力式還是機械式的。水力式耙頭尺寸通常與耙吸管直徑成線性關系。對于黏性土壤（黏土，軟礁石），要求用機械式挖掘，可由裝有齒或刀片的耙頭完成,如圖 33。耙頭寬度取決于與挖掘土壤有關的有效切割力。以考慮挖掘土壤的流動因素選擇耙頭長度。圖 33 帶有耙齒的耙頭第二節 耙頭的改進一、耙頭的發展耙頭的發展大致可以歸納為這么四個階段：第一階段為初始階段，耙吸船的耙頭是吸頭，吸管以吸為主，沒有耙切泥的功能，般為挖掘軟泥和細沙。第二階段為改進更新階段，耙頭并有耙齒真正實現了耙吸功能，可挖密實細沙及砂礫土。第三階段是更新發展提高階段，高壓沖水的應用，研究出了耙頭帶高壓沖水噴嘴，提高破土能力，可挖粘性土，同時變單活動罩為雙活動罩并軌，以加利福尼亞耙頭為代表。第四階段為繼續提高階段，大約是70年代IHC推出了主動耙頭,可挖硬質風化巖石及板結砂土。這一發展過程是隨疏浚土質類別的提高，推動著耙頭技術的改進，以適應工程施工的需要 [3]。當然，在耙頭的發展過程中，各個發展的國家都有自己研究的耙頭，且相互借鑒，互為推動，促進發展著。美國、荷蘭、德國、日本研究較早，而我們中國以較為成熟的仿造設計為主，然而最具代表性的應是加利福尼亞耙頭以及IHC 的主動耙頭。但是如何更有效地改進和選型，必須對耙頭的性能、疏浚機理較透徹地了解，否則將事倍功半。二、耙頭的改進8第一節已經介紹了現今普遍使用的耙頭的工作原理，不過耙頭的發展仍在繼續，接下來介紹的是國內外耙頭第四階段的發展現狀。國內外對耙頭所做出的改進有這三方面：（一）帶有調節推桿或液壓油缸的主動耙頭 隨著人們對耙頭挖泥機理的深入研究以及世界先進新技術的發展對疏浚技術發展強有力的推動。上世紀末荷蘭IHC、德國LMG、比利時JDL等著名 國際疏浚船制造商、工程承包商相繼推出了新型高效的主動耙頭。它是由調節推桿或液壓油缸主動調節活動罩，確保在不同深度下耙吸管角度變化時耙頭始終緊貼泥面，耙齒深入泥中，克服了常規耙頭依靠自重調節活動罩而對硬土質不起作用的缺點，在工程實踐中取得明顯效果。 （二）高壓沖水的合理應用 上世紀8O年代，世界疏浚行業推出了高壓沖水破土技術，利用耙頭底部噴嘴射出的高速水流沖刷切割水底泥砂，大大提高了挖泥效率。但是小排量的高壓沖水因其水力動能太小，無法將被切割下的泥砂與水充分攪混形成懸浮狀態，達不到提高耙頭吸泥效率的目的，反而消耗了沖水泵功率。為此許多廠商在產品中增大高壓沖水泵的排量使其達到泥泵排量的1／4；耙頭的噴嘴也從常規的數只增加到幾十只。有些疏浚公司還采用20 MPa以上的超高壓沖水泵，專門用于珊瑚礁石的開挖。 （三）可方便更換的插裝式耙齒 耙頭挖泥時，耙齒深入土中與砂土直接摩擦造成齒尖快速磨損，采用高耐磨材料延長耙齒壽命是一個方面，另一方面就是采用可方便更換的插裝式耙齒。這種耙齒由齒座、齒尖和插銷組成，齒座焊在耙頭活動罩底部的橫檔上，當發現齒尖嚴重磨損影響挖泥效率時，拉出插鎖，齒尖可從齒座上拆下，換上新的齒尖，確保疏浚性能。9第四章 計算流體體力學（ CFD）的原理與應用第一節 計算流體力學軟件的理論知識一、計算流體力學的產生背景在計算機硬件技術有了突飛猛進的發展情況下，同時隨著數值分析理論的發展，高精度模擬得到實現，計算流體力學出現了。在實際生產中，計算流體力學也是很有用的。對某些內部流動實驗測量時，要求的實驗裝置復雜龐大且實驗成本較高，研制周期長，因而使實驗研究受到了很大的限制，傳統的設計方法已滿足不了需要，必須采用現代設計理論和方法。二、計算流體力學的基本思想計算流體動力學(putational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。CFD 的基本思想是把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。CFD 可以看做是在流動基本方程( 質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，我們可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區等。還可據此算出相關的其他物理量，如旋轉式流體機械的轉矩、水力損失和效率等。三、計算流體力學的特點 正如上面計算流體力學的背景和基本思想的介紹，計算流體力學是建立在理論分析和實驗測試的基礎上，計算流體力學具有本身的以下的特點：流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計算域的幾何形狀和邊界條件復雜，理論分析很難求得解析解，而用 CFD 方法則有可能找出滿足工程需要的數值解。CFD 可利用計算機進行各種數值試驗，例如，選擇不同流動參數進行物理方程中各項有效性和敏感性試驗，從而進行方案比較。CFD 不受物理模型和實驗模型的限制，省錢省時，有較多的靈活性，能給出詳細和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。CFD 法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數學上適用、適合于在計算機上進行計算的離散的有限數學模型，且最終結果不能提供任何形式的解析表達式，只是有限個離散點上的數值解，并有一定的計算誤差。CFD 不像物理模型實驗一開始就能給出流動現象并定性地描述，往往需要由原體觀測或物理模型試驗提供某些流動參數，并需要對建立的數學模型進行驗證。10程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴于經驗與技巧。因數值處理方法等原因有可能導致計算結果的不真實，例如產生數值粘性和頻散等偽物理效應。CFD 因涉及大量數值計算，因此，常需要較高的計算機軟硬件配置。四、計算流體力學的求解步驟步驟求解如圖 41圖 41 五、計算流體力學的結果顯示通過上面的步驟，CFD 顯示和輸出計算結果有如下幾種：線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標取為空間長度或時間歷程，將縱坐標取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標系內繪制出某一物理量沿空間或時間的變化情況，如圖 42。矢量圖：直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。矢量圖可以比較容易地讓用戶發現其中存在的旋渦區，如圖 43。等值線圖：用不同顏色的線條表示相等物理量(如溫度) 的一條線，如圖 44。流線圖：用不同顏色線條表示質點運動軌跡，如圖 45。11云圖：使用渲染的方式，將流場某個截面上的物理量用連續變化的顏色塊表示其分布，如圖 46。圖 42 圖 43圖 44 圖 45圖 46六、計算流體力學的應用領域計算流體力學的應用領域有以下 11 個方面:水輪機、風機和泵 [4]等流體機械內部的流體流動 飛機和航天飛機等飛行器的設計12汽車流線外型對性能的影響洪水波及河口潮流計算風載荷對高層建筑物穩定性及結構性能的影響 溫室及室內的空氣流動及環境分析電子元器件的冷卻 換熱器性能分析及換熱器片形狀的選取河流中污染物的擴散汽車尾氣對街道環境的污染1食品中細菌的運移第二節 FLUENT 簡介一、FLUENT 的開發FLUENT 是由美國 FLUENT 公司于 1983 推出的 CFD 軟件。它是繼 PHOENICS 軟件之后的第二個投放市場的基于有限體積法的軟件。FLUENT 是目前功能最全面、適用性最廣、國內使用最廣泛的 CFD 軟件之一。用戶可以使用非結構網格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網格來解決具有復雜外形的流動，甚至可以用混合型非結構網格。它允許用戶根據解的具體情況對網格進行修改(細化／租化) 。FLUENT 使用 GAMBIT 作為前處型軟件，它可讀入多種 CAD 軟件的三維兒何模型和多種 CAE 軟件的網格模型。二、FLUENT 的適用范圍FLUENT 可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動分析，可完成多種參考系下流場模擬、定常與非定常流動分析、不可壓流和可壓流計算、層流和湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學組分混合和反應分析、多相流分析、固體與流體耦合傳熱分析、多孔介質分析等。它的湍流模型包括 k－e 模型、Reynolds應力模型、LES 模型、標準壁面函數、雙層近壁模型等 [5]。FLUENT 可讓用戶定義多種邊界條件，如流動入口及出口邊界條件、壁面邊界條件等，可采用多種局部的笛卡兒和圓柱坐標系的分量輸入，所有邊界條件均可隨空間和時間變化，包括軸對稱和周期變化等。FLUENT 提供的用戶自定義子程序功能，可讓用戶自行設定連續方程、動量方程、能量方程或組分輸運方程中的體積源項，自定義邊界條件、初始條件、流體的物性、添加新的標量方程和多孔介質模型等。三、FLUENT 的求解器和處理軟件最新的 FLUENT 求解器的版本是 ，其主要功能是導入前處理生成的網格模型、提供計算的物理模型、確定材料的特性、施加邊界條件、完成計算和后處理。13FLUENT 公司除了 FLUENT 軟件外，還有一些專用的軟件包，除了