英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

轴对称旋转刀头中的流速

作者：Bas nieuwboer(Delft University of TechnologyDelft)

Geert Keetels(Delft University of TechnologyDelft)

Cees van Rhee(Delft University of TechnologyDelft)

第18届国际会议

固体颗粒的运输和沉降

2017年9月11日至15日，捷克共和国布拉格

轴对称旋转切刀吸头中的流速

1. J.Nieuwboer1,G.H.Keetels,C.van Rhee

1PhD candidate, Faculty of Mechanical Engineering and Marine Technology, Delft University of Technology, Mekelweg 2, Delft, 2628 CD, E-mails:B.J.Nieuwboer@tudelft.nl,G.H.Keetels@tudelt.nl,C.vanRhee@tudelft.nl.

尽管对绞吸式挖泥船的设计进行了许多改进，但在最不利的条件下，现代绞切机仍会洒落多达40％的切石。溢出物是指被刀头割开但未被挖泥泵吸走的岩石量。本文着眼于切割器中水的流动现象。流动部分导致这种溢出。以前，已经进行了物理实验来研究刀头中的流动。在本文中，这些测量的结果用于验证非稳态流动模型。使用OpenFOAM软件使用计算流体动力学对刀具进行建模。将模拟的流体速度平均旋转一圈，然后将其与来自实验的时间平均速度进行比较。这对于刀头的不同转速显示出良好的一致性。

关键词：绞吸式挖泥船，数值建模，泄漏，OpenFOAM

介绍

绞吸式挖泥船可以疏通沙子，粘土和岩石。绞吸式挖泥船使用旋转的绞刀头（图1a）切割土壤，并使用挖泥泵将其运输到容器。图1b显示了绞吸挖泥船的示意图。挖泥船通过在船的每一侧（图中未显示）用锚线拉动自身，绕着桩杆旋转。以灰色显示的刀头切去土壤。挖泥机头在土壤中形成裂缝，并吸走被切开的土壤。挖泥船摆到极限位置后，船只通过向后推动锚杆来向前移动。然后，船只摆动到另一侧，直到再次摆动到其极限位置。重复此过程。

挖泥船要清除所有被挖泥头割开的土壤。但是切割岩石时，最多40％的水不会被吸入容器。该泄漏可以分为两部分。第一部分是被切割但从未进入刀头的岩石。这些零件由于切割过程而被推开，因此不会进入刀头。第二种泄漏是确实进入切刀的岩石块，但由于重力，离心力和向外的流体流动而被扔出切刀。

a) b)

图1用于疏通岩石的刀头（a）。van Oord拥有的名为Athena的绞吸式挖泥船的示意图（b）

本文考虑了切刀中的流体流动，这部分是造成溢出的原因。将来该流动模型将用于对切刀溢出进行建模。使用简化的轴对称刀具的数值模型研究流体流动。该模型的结果与之前进行的实验进行了比较。

之前的学习

Dekker（2003）在带有背板和吸嘴的切割机中进行了速度测量，并将速度与潜在的流量求解器进行了比较。他只考虑了稳态条件。然而，可以预见的是，瞬态效应很重要。由于其弯曲的形状，旋转的叶片铲起颗粒，并将其传送到吸嘴。碎石也不会以恒定的速度进入切刀内部。刀片铲起碎片。这在向切刀的岩石输入中产生了周期性。这表明需要一种不稳定的建模方法。

同样，瞬态流动现象也很重要。当吸嘴未轴对称放置时，运动的叶片越过吸流， 引起二次流。叶片的通过还会在其余区域中引起一些速度振荡。由于这四个原因， 本研究对流体流动的研究采用了不稳定的方法。

实验装置

在研究Dekker（2003）之前，同一位作者测量了没有背板的切刀内部的流速

（图2a）。在此示意图1：4模型切割器中，在5个位置测量了速度。这些位置与 结果一起显示在图3和4中。该设置是轴对称的。因此，仅需在单个方位角坐标上 进行测量即可确定流动现象。

刀头内部的流动可以用无因次逆流数（0-1= wR3frasl;Q）来表征。这是刀头的旋转速度（WR）与吸力排出量（Q）之比。该流数源自尺寸离心泵的分析。Steinbusch（1999）率先将其用于旋转刀头。在运行条件下，逆流数的典型值为1.6和3.7。

1.6和3.7。

a) b)

图2实验设置（a）和数值网格（b）

Dekker（2003）的主要作者使用声学多普勒测速仪（ADV）测量了轴对称模型切割机中的速度。该ADV的采样频率为25 Hz，并在3个方向上测量了3个速度分量。图2a在左下角显示了ADV。

通过使用ADV获得的速度数据包括信号中的一些尖峰。Goring和Nikora（2002） 描述了一种算法，以确定这些尖峰是否可能是由于测量技术的错误引起的。当流体的加速度高于重力加速度时或当声音信号的强度太低时，数据将被丢弃。

非稳态CFD模型

数值模型的最终目标是预测岩石碎屑的溢出。为此，需要计算刀具内部的速度。 流量主要由抽吸压力和叶片的水驱替驱动。

岩石块相对较大，这意味着最小的速度波动不会产生影响。这与作为驱动力的压力一起证明了使用非稳态雷诺平均Navier Stokes方程来求解刀具内部的流动是合理的。在这些方程中，以时间平均的方式对湍流涨落进行建模。这意味着可以解决较大时标上的速度，并使用湍流模型对较小时标进行建模。在这种情况下，由于叶片通过而导致的流速仍然可以解决。

使用有限体积法求解非稳态雷诺平均Navier Stokes方程。这种离散化方法广泛用于复杂的几何形状和旋转机械。为了解决流体流动问题，作者使用了开源软件包，OpenFOAM 1606 (www.openfoam.com). 在此建模环境中，已经实现了用于求解Raynolds平均Navier-Stokes方程的方法。

叶片的旋转运动使用滑动网格方法解决。所有现代OpenFOAM版本都提供此方法。一个网孔适合叶片周围并与叶片一起旋转。其余的几何和网格保持静止。网格需要在界面上滑动。该界面上的值以质量和动量保守的方式从非旋转域插值到旋转域，Farrell（2011）。图2b中的黑色粗线显示了此界面的一部分。

压力和速度使用PISO算法求解。(Weller 2005).用不稳定的k-omega SST模型对流体的湍流进行建模。

图3.刀具中测得的和建模的时间平均速度的正视图和仰视图

数值域是一个圆柱，直径为5米，高度为1.31米，由8.87个单元组成。在实验和模拟中，刀具均位于底部上方0.39米处。区域的高度与实验中水位的近似高度相匹配。模拟中的水的密度为1000 kg / m2，运动粘度为1.0∙10-6m2/ s。

圆柱域的顶部和底部没有滑动边界。入口位于圆柱体的圆周上， 并具有Dirichlet边界。吸管顶部流出处的边界是诺伊曼边界。使用切刀的稳定模拟可以预先计算出进口处的湍流量。湍动能k = 1.1∙10-6m2/ s2，比耗散w = 4.1∙10-2s-1，湍流粘度v = 2.6∙10-5m 2/秒

t

切刀内部的网孔尺寸为1cm3，刀片处的网孔尺寸为4mm3。对流项使用70％中央插值方案和30％迎风向上离散。逆风插值引起一些数值扩散。但是，这需要使解决方案保持稳定。

所有模型使用的最大库仑数为1。时间步数受此库仑数限制。在下一部分描述的模拟中，时间步长在2.5∙10-4秒与7.5∙10-4秒之间变化。

作者模拟了一些具有不同数值设置的情况，以查看它们的影响。时间步长降低了3.3倍，对网格进行了细化，因此每个像元的长度减小了25％。这将网格增加到180万个单元

矩阵解的收敛准则也降低了。这些情况对于所开发的流程给出了相似的结果。对于每个速度分量，所述5个点与基本网格的差异最大。降低时间步长后，与基本网格的平均差为9.6∙10-3m /s。细化网格与基本情况相比， 差异更大：2.9∙10-2m/s。

结果

本节显示了具有固定吸入流量的6种不同旋转速度的结果。首先使用稳定的模拟初始化每个模型。之后，切刀旋转6圈。给出的平均速度是基于最后一转。这些模拟的逆流数范围从0到3.5。

5.1时间平均结果

图5.在点x处建模和测量的速度分量与反向流量的关系

图3和4显示了逆流数0（TF9）= 2.9时在切刀中建模和测量的时间平均速度。在两个图中，刀头均被切割以可视化相对于速度的几何形状。测得的速度以虚线箭头表示，建模的速度为实线。

图3显示了具有速度的rz平面的剖视图。建模和测得的速度非常吻合。可以看到刀片附近位置的速度被稍微向内推。这是由于叶片的形状。速度的大小与左下 角的箭头所描绘的平均吸力速度大小相同。

图4显示了从轴的顶端观察到的具有速度的方位角平面。左侧的模拟速度显示出比测得的速度更大的剪切力。

在这些点上，速度的大小约为环外部速度的三分之一（由标记为omega;R的箭头表示） 对于图3和图4中的测量位置“ x”，将测得的速度与逆流数作图（图5）。当切刀不旋转时，逆流值为零。在这种情况下，切割器中的流量与旋转刀片推动的流量相反。这对应于图4中的逆时针方向的流量和图5中的正切线速度。流量的反向是由刀片之间的角度和刀具的旋转运动的切线引起的。随着更高的旋转，切向速度开始顺时针旋转。图5示出了逆流数与切向速度之间的线性关系。

图6. 0-1= 0（右侧）和0-1= 0.96时速度的模拟瞬时流线

（左边）

随着旋转的增加，径向和轴向速度的变化远小于切向速度。正径向速度朝着刀 具轴线方向定义，正轴向流朝着吸嘴方向定义。图5显示径向分量随旋转的增加而减小。这很可能是由于向外指向离心力而导致的。第二个贡献是随着角速度的增加，轴尖处的轴向速度也增加。由于叶片在此位置的形状，水被向上推。由于吸入流量保持恒定，该水应再次离开切刀。这也可以解释随着角速度的增加轴向速度略有增加。

当切刀不旋转时，径向速度要高得多，而轴向速度要低得多。图6显示了0-1= 0（图6的右半部分）和0-1= 0.96（图的左侧）时的瞬时流动模型。两个黑点代表图5中数据的测量位置。在不旋转的情况下。流体必须绕叶片移动，从而导致更高的径向流量。因为流向内方向更大，所以轴向速度相对较低。

5.1模型性能

在图7中，将所有6种运行条件下的速度分量与实验进行了比较。几乎所有点都在25％的误差范围内。在表1中使用平均绝对误差和平均绝对百分比误差（使用公式2）计算模型性能。切向速度和轴向速度分量计算得很好。径向分量更难预测。

其中n是数据样本数，d_i是数据值（测量值），m_i是建模值。

表格1 基于所有6种运行条件的MAE和MAPE的模型性能

图7.每个速度分量的测得速度与模型速度

5.3环附近的非恒定流

Burger（2003）描述了一种溢出机制，是离开切刀的环附近的颗粒。问题是不稳定的局部流体速度是否会导致这种溢出。在环下方和叶片附近5 cm处，径向速度围绕零速度振荡，幅度为0.3到0.4 m / s。这意味着水也从该位置流出切割器。通过确定颗粒对这种流体波动的响应因子，可以证明这种振荡对颗粒具有显着影响。Keetels（2017）重新编写了响应因子（C_t）的公式（公式3）

Hill（1998）等人的研究。他想出了一个根据流体涡流和颗粒的响应时间（r_f，r_p），流体和颗粒的密度（p_f，p_s）以及附加质量系数（C _A），通常0.5.假定响应是由惯性，阻力，附加质量和压力梯度驱动的。对于1的响应因子， 粒子将与周围的水一样加速。对于非常稀的浓度，此表达式为：

水和沉积物的密度分别为1000 k / m3和2500 k / m3。流体时间标度与叶片通过频率有关。在模型规模上，通常为0

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[235878]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word