耙头二维的流场的模拟与分析毕业论文(编辑修改稿)

耙头二维的流场的模拟与分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的静止。 最初，在挖掘 Nieuwe Waterweg河时，利用泥舱里的管道输送，耙吸管放在船体一侧。 实践证明此类挖泥船不适于在有波浪的施工环境下工作。 之后， 锚缆定位的挖泥船到自航式挖泥船 又 前进了很大的一步。 起初，耙吸式挖泥船的耙吸管置于船体后部的泥舱内，但不久则被移至船体两侧。 耙吸式挖泥船最早主要在美国使用， 50年代又重回荷兰，并得到更大发展。 图 21 1859 年法国的耙吸式挖泥船 二、国 内 耙吸挖泥船的历史 解放初期 国内 仍是以古老的链斗式挖泥船为主 , 在 60 年代至 70 年代 , 仍是唱主角 , 其次才是绳索抓斗挖泥船、铲斗式挖泥船 , 随后相继发展绞吸式挖泥船 , 而耙吸式挖泥船尚难见踪影。 70 年代开始从荷兰进口了 2 300 m3 耙吸式挖泥船。 同期、中国船舶及海洋工程设计 研究院与江南造船厂联合研制了 4500 m3 耙吸式挖泥船 —— “ 险峰 ” 、 “ 劲松 ” 两艘姐妹船 , 在黄浦江、长江发挥其作用 , 实践证明了其优点。 集挖泥、装泥和卸泥于一身 , 是其他挖泥船所不 能及。 因而耙吸船近年来深受航道部门的青睐 , 而且疏浚技术设备更臻完善 , 并得到新的发展。 三、国内外耙吸挖泥船的发展趋势 现在，国内外的耙吸挖泥船的发展很快，正朝着 大型化、多功能化、高度智能化的方向发展。 目前世界上一些主要疏浚公司把大中型耙吸挖泥船作为挖泥船队的主要组成部分，以追求最大利润率。 上世纪 90年代以来， 10000m3以上的巨型耙吸挖泥船已建成数十艘；杨德鲁公司的 33000m3耙吸挖泥船，其挖掘深度可达 130m；天津航道局投资建造的挖泥船 “ 通旭 ” 号已经投入使用，舱容为 13000m3的自航耙吸挖泥船 “ 通旭 ” 号是目前国内北方最大的耙吸式挖泥船，挖深达到 45m，吹岸距离可达 4000m，具有无 4 限航区，配备了当前国际最先进的智能挖泥系统，施工过程可通过驾驶室遥控实现。 在大型化的基础上，逐渐出现多级泵。 从而实现远距离输送泥浆。 在大型化的发展基础上，耙吸挖泥船也正朝着多功能化的方向发展。 经常会有一些挖泥船由于不能适应某些工程作 业而被闲置，于是提高挖泥船的利用率就成了合理的追求，其中一个重要的途径就是通过较少的投资追加，使其具有一些附加功能，从而提高该船的利用率，增加额外利润。 如：大型耙吸挖泥船加装自排吹岸系统；耙吸船同时兼顾污油回收；小型耙吸船上加装抓斗；小型抓斗挖泥船加长扒杆兼做起重等。 大型化、多功能化的耙吸挖泥船需要更加人性化的设置，也就是智能化的设计。 高度智能化主要是指挖泥船作业的仪表化和自动化。 由于疏浚作业时取土过程在水下，所以其操作过程不可见。 随着高科技的推广应用，通过计算机技术和仅表将这个不可见的过程及时、准确示在 操作人员面前，大大简化了操作程序，提高了效率，进而提高了经济性。 因此，装舱监视仪、耙管位置显示仪、产量计、挖泥断面显示仪的设置是必不可少的，这些设备的使用保证了挖泥船工作时的挖掘精度。 第三节 现代化 的 耙吸式挖泥船 一、耙吸式挖泥船的结构 耙吸 式 挖泥船是一种从海底挖泥的 ， 自航式的深海或内陆船。 按照设计标准，耙吸式挖泥船 具体装备 有 下面几部分 ，如图 22： （一） 带有吸嘴的耙吸管，即耙头，挖泥时用于耙吸海床； （二） 泥泵，用于耙吸被耙头耙松了的土壤； （三） 泥舱，可堆存耙吸的泥水混合物； （四） 溢流系统 ，用于排出泥舱装舱过程中多余积水； （五） 位于泥舱内的底门，用于卸载泥水混合物； （六） 位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管； （七） 波浪补偿器，用来补偿耙头与海床接触时耙头与船体垂直方向的相对运动。 5 图 22 耙吸式挖泥船示意图 二、耙吸式挖 泥船的特色 耙吸 式挖泥船同时也具有自己的特色， 不同于链斗、抓斗、正 (反 ) 铲、绞吸挖泥船的长方型的船型 , 它具有自航船的线型与总体外形 , 具有自载与自卸的能力 , 适合于海况较为复杂的海域疏浚 , 无需锚泊定位挖掘 , 适宜迁航 , 其疏浚效率高 , 是近来航道疏浚发展的方向。 同时 耙吸式挖泥船 也具有如下两个 优点： （一） 船体不在固定位置上工作，故没有抛锚用绳缆，而可以自由移动，这对于海港区域的疏浚是非常重要的； （二） 耙吸式挖泥船非常适合远海疏浚作业。 三 、 耙吸式挖泥船的应 用领域 耙吸式挖泥船的应用广泛，在疏浚业被美名为 “孺子牛 ”。 耙吸式挖泥船工作过程中不需要抛锚定位，因而不会给其它船舶的航行造成障碍。 早期耙吸式挖泥船主要用于加深和维护航道。 如今的耙吸式挖泥船还可用于围海造田。 可被耙吸的物质主要是淤泥和沙子，黏土有时也可被耙吸上来，但易造成耙头和栅栏（置于耙头内后部）的堵塞。 用耙吸式挖泥船来挖掘岩石在大部分情况下是不经济的，耙头要求非常沉重，而且产量一般很低。 6 第三章 耙头的 工作原理 与 改进 第一节 耙头的 工作原理 一 、 耙头的结构与工作原理 耙头种类繁多， 加利福尼亚耙 头现 是 我国疏浚领域用的较为广泛的耙头，本论文就 以 加利福尼亚耙头作为例子来加以说明 ，如图 31和 32。 它主要由一个固定部分的罩壳作引流导管连同两个并列可独立活动 ，并能自行调整角度的头盔形罩壳组成。 活动罩壳分别与固定罩壳用销轴连接 ， 活动罩壳可在固定罩内自由转动 45度 角活动罩与固定罩接合面外用橡胶密封 ， 形成密闭通道。 在固定罩的下部设有耐磨块与高压冲水喷嘴 ， 盖形活动罩的下边缘镶有易于更换的耐磨块。 同时在盖形罩的上部分别装有导向杆和压紧弹簧 ， 与固定罩连接起限位和缓冲作用。 在固定罩壳的中间上部设有一高压冲水管 ， 固定罩 为方形喇叭口管 ， 也作为耙头的连接管。 它与高压冲水管一起分别与耙吸管和冲水管连接。 耙头侧还装有橡胶靠旁 ， 以免碰坏船侧板。 图 31 图 32 加利福尼亚耙头 它的 工作原理 是 ： 挖泥时， 一方面耙头随耙管在船体 前进时其底边与泥底的间隙里流过高速水流，将砂土冲刷下来进入耙头； 另一方面高压水由耙头上的喷嘴喷射出，冲散板结砂土，再加刀刃的切泥，形成冲切互相作用，使泥砂悬浮，然后由泥 泵产生的真空压力差，将悬浮的泥浆 ,砂砾吸入耙管输送到泥舱。 所以耙头的工作原理归结为 冲刷，高压冲水，机械切削，要提高耙头性能就必须从这三个词 入手加于解决。 7 二 、耙头的选用 选择和设计耙头，知道将要挖掘的土壤类型是非常重要的。 土壤的类型决定了挖掘过程是水力式还是机械式的。 水力式耙头尺寸通常与耙吸管直径成线性关系。 对于黏性土壤（黏土，软礁石），要求用机械式挖掘，可由装有齿或刀片的耙头完成 ,如图 33。 耙头宽度取决于与挖掘土壤有关的有效切割力。 以考虑挖掘土壤的流动因素选择耙头长度。 图 33 带有耙齿的耙头 第二节 耙头的改进 一、耙头的发展 耙头的发展大致可以归纳为这么四个阶段：第一阶段为初始阶段 ， 耙吸船的耙头是吸头 ， 吸管以吸为主 ， 没有耙切泥的功能 ， 般为挖掘软泥 和 细沙。 第二阶段为改进更新阶段 ， 研究了耙头 .为单活 动罩盖耙头并有耙齿真正实现了耙吸功能 ， 可挖密实细沙及砂砾土。 第三阶段是更新发展提高阶段，高压冲水的应用 ，研究出了耙头带高压冲水喷嘴 ， 提高破土能力 ， 可挖粘性土 ， 同时变单活动罩为双活动罩并轨 ， 以加利福尼亚耙头为代表。 第四阶段为继续提高阶段 ， 大约是 70年代 IHC推出了主动耙头 ,可挖硬质风化岩石及板结砂土。 这一发展过程是随疏浚土质类别的提高 ， 推动着耙头技术的改进 ， 以适应工程施工的需要 [3]。 当然，在耙头的发展过程中，各个发展的国家都有自己研究的耙头，且相互借鉴，互为推动，促进发展着。 美国、荷兰、德国、日本研究较早 ，而我们中国以较为成熟的仿造设计为主，然而最具代表性的应是加利福尼亚耙头以及 IHC的主动耙头。 但是如何更有效地改进和选型，必须对耙头的性能、疏浚机理较透彻地了解，否则将事倍功半。 二、耙头的改进 第一节已经介绍了现今普遍使用的耙头的工作原理，不过耙头的发展仍在继续，接下来介绍的是 国内外 耙头第四阶段的发展现状。 国内外对耙头 所 做出的改进 有这三方面 ： 8 （一）带有调节推杆或液压油缸的主动耙头 随着人们对耙头挖泥机理的深入研究以及世界 先进新技术的发展对疏浚技术发展强有力的推动。 上世纪末荷兰 IHC、德国 LMG、比利时 JDL等著名 国际疏浚船制造商、工程承包商相继推 出了新型高效的主动耙头。 它是由调节推杆或液压油缸主动调节活动罩， 确 保在不同深度下耙吸管角度变化时耙头始终紧贴泥面，耙齿深入泥中， 克服了常规耙头依靠自重调节活动罩而对硬土质不起作用的缺点， 在工程实践中取得明显效果。 （二） 高压冲水的合理应用 上世纪 8O年代，世界疏浚行业推出了高压冲水破土技术，利用耙头底部喷嘴射出的高速水流冲刷切割水底泥砂，大大提高了挖泥效率。 但是小排量的高压冲水因其水力动能太小，无法将被切割下的泥砂与水充分搅混形成悬浮状态，达不到提高耙头吸 泥效率的目的，反而消耗了冲水泵功率。 为此许多厂商在产品中增大高压冲水泵的排量使其达到泥泵排量的 1／ 4；耙头的喷嘴也从常规的数只增加到几十只。 有些疏浚公司还采用 20 MPa以上的超高压冲水泵，专门用于珊瑚礁石的开挖。 （三） 可方便更换的插装式耙齿 耙头挖泥时，耙齿深入土中与砂土直接摩擦造成齿尖快速磨损，采用高耐磨材料延长耙齿寿命是一个方面，另一方面就是采用可方便更换的插装式耙齿。 这种耙齿由齿座、齿尖和插销组成，齿座焊在耙头活动罩底部的横档上，当发现齿尖严重磨损影响挖泥效率时，拉出插锁，齿尖可从齿座上拆下， 换上新的齿尖，确保疏浚性能。 9 第四章 计算流体体力学 （ CFD）的原理与应用 第一节 计算流体力学软件的理论知识 一、计算流体力学的产生背景 在计算机硬件技术有了突飞猛进的发展情况下，同时随着数值分析理论的发展，高精度模拟得到实现，计算流体力学出现了。 在实际生产中，计算流体力学也是很有用的。 对某些内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很大的限制，传统的设计方法已满足不了需要，必须采用现代设计理论和方法。 二 、计算流体力学的基本思想 计算流体动力学 (putational Fluid Dynamics,简称 CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 CFD 的基本思想是 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 CFD 可以看做 是在流动基本方程 (质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 )控制下对流动的数值模拟。 通过这种数值模拟，我们可以 得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量 (如速度、压力、温度、浓度等 )的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。 还可据此算出相关 的其他物理量 ，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。 三、计算流体力学的特点 正如上面计算流体力学的背景和基本思想的介绍， 计算流体力学 是建立在 理论分析和实验测试的 基础上，计算流体力学具有本身的以下的特点： 流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，理论分析很难求得解析解，而用 CFD 方法则有可能找出 满足工程需要的数值解。 CFD 可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。 CFD 不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 CFD 法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的 计算误差。 CFD 不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证。 10 程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。 因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。 CFD 因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。 四、计算流体力学的求解步骤 步骤求解如图 41 图 41 五、计算流体力学的结果显示 通过上面的步骤， CFD 显示和输出计算结果 有如下几种 ： 线值图：在二维或三维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况 ，如图 42。 矢量图：直接给出二维或三维空间里矢量（如速度）的方向及大小， 用不同颜色和长度的箭头表。