摘 要

目前耙吸挖泥船在海内外各大规模吹填作业和围海造陆工程中已充分展示其能力，由此其受到来自国内外疏浚行业不断增多的关注。而目前耙吸式挖泥船的研究以结构优化和施工工艺为主，而对于耙头上喷嘴的研究相对较少，其效率还有很大提升空间。

本文在对耙头调研充分的基础上，针对耙吸式挖泥船冲水装置的重要原件——喷嘴及其所产生的射流，在不同喷嘴间距、不同喷嘴排数及不同排列形式下进行数值模拟，分析并总结不同喷嘴排列下对流场的影响，并以此为依据确定喷嘴最佳的排列方式。

当优化喷嘴的间距时，应存在最优的间距。在喷嘴间距较小情况下，冲击强度较大，存在较大冲击深度，但冲击宽度较小；当喷嘴的间距变大时，冲击宽度会同时增加，但射流间巨大的能量消耗会使冲击深度减少。在最优间距下排列的喷嘴在冲击时旋涡消耗的能量较少，将存在比较客观的冲击深度和冲击宽度。

当优化喷嘴的排数时，可适当增加喷嘴行数。随着喷嘴排数的增加，一方面，在保持冲击深度不发生大幅变化的情况下，冲击宽度会不断增加；另一方面，在实际冲刷过程中，随着喷嘴的移动，可实现对同一位置的泥沙多次冲刷，从而减少了泥沙的堆积，加大排与排之间的冲击深度。

当优化喷嘴的排列形式时，应优先选择交叉排列。排列方式基本不影响冲击宽度和冲击深度，但在实际耙头移动过程中，多排喷嘴交叉排列时，后排喷嘴恰好可以冲击前排两喷嘴中间区域，减少堆积，从而加大冲击深度，获得最佳冲击效果。

关键词：耙吸式挖泥船；喷嘴；排列；优化

Abstract

In recent domestic and overseas large-scale reclamation operations and land reclamation projects, the trailing suction dredgers have shown their talents, and thus dredging dredgers have received more and more attention in the dredging market at home and abroad. At present, the research of trailing suction dredgers is mainly based on structural optimization and construction techniques. However, there is relatively little research on nozzles on drag heads, and there is still much room for improvement in efficiency.

On the basis of sufficient research on drag heads, this paper focuses on the important originals of the trailing suction dredger flushing device—the nozzles and the jets generated by them.Throuhg numerical simulation under different nozzle distance,different numbers of nozzle rows and different arrangements,analyzing and summarizing the influence of different nozzle arrangement on the flow field, and based on this to determine the best nozzle arrangement.

When choosing nozzle distance, there should be some optimal distance. In the case of small nozzle distance, the impact strength is larger, there is a greater impact depth, but the impact width is smaller.As the nozzle distance increases, the impact width will increase, but the huge energy consumption between the jets will make the impact depth reduced . The nozzles arranged at the optimal distance consume less energy in the vortex during impact, and there will be more objective impact depth and impact width.

When selecting the number of nozzle rows, the number of nozzle rows should be increased appropriately. With the increase in the number of rows of nozzles, on the one hand, the impact width will continue to increase while keeping the impact depth substantially constant; on the other hand, in the actual flushing process, with the movement of the nozzle, the sediment of the same position can be washed many times, thereby reducing sediment accumulation and increasing the depth of impact between rows and rows.

When selecting the nozzle arrangement, cross-arrangement should be preferred. The arrangement method basically does not affect the impact width and the impact depth, but in the actual process of moving the boring head, when the rows of nozzles are arranged crosswise, the rear nozzles can precisely impact the middle area of the front two nozzles to reduce the accumulation, thereby increasing the impact depth and obtaining the best impact.

Keywords:trailing suction hopper dredger；nozzle；arrangement；optimal design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的来源及研究意义 1

1.2 研究内容 1

1.3 研究方法 1

1.4 研究目标 2

1.5 国内外研究现状 2

1.5.1 耙吸式挖泥船简介与发展 2

1.5.2 耙头的工作原理 5

1.5.3 射流理论及冲击机理 5

1.5.4 国内外研究现状 6

第2章 计算流体力学的原理与应用 9

2.1 计算流体力学理论知识 9

2.1.1 计算流体力学的基本思想 9

2.1.2 计算流体力学的特点 9

2.2 Fluent简介 9

2.3 计算流体力学的求解过程 10

2.4 喷嘴射流流场的数值计算模型 12

2.4.1 流体流动的控制方程 12

2.4.2 控制方程的离散方法 14

第3章 喷嘴物理模型的建立和求解参数的选择 15

3.1 模型的建立和网格的划分 15

3.1.1 喷嘴物理模型的边界及求解区域介绍 15

3.1.2 喷嘴物理模型的参数选择 15

3.1.3 喷嘴物理模型的建立与网格划分 17

3.2 求解器的选择 18

3.3 湍流模型的选择 19

3.4 边界条件的设置 20

3.5 模型验证及分析参数的选择 21

3.5.1 压力分布 21

3.5.2 沿射流展向速度分布 23

3.5.3 射流核心速度分布 23

第4章 各排布方式下喷嘴射流流场的数值模拟结果及分析 25

4.1 喷嘴不同间距下的数值模拟结果及分析 25

4.1.1 压力分布 25

4.1.2 沿射流流向速度分析 28

4.1.3 沿射流展向速度分析 30

4.1.4 喷嘴间距优化分析 33

4.2 喷嘴不同排数下的数值模拟结果及分析 34

4.2.1 压力分布 34

4.2.2 沿射流展向速度分析 36

4.2.3 喷嘴排数优化分析 38

4.3 喷嘴不同排列方式下的数值模拟结果及分析 38

4.3.1 压力分布 39

4.3.2 喷嘴排列形式优化分析 40

第5章 总结与展望 42

5.1 工作总结 42

5.2 工作展望 43

参考文献 44

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究意义

港口的良好环境条件是确保船舶顺利出入与安全停靠的基础，航道的畅通无阻则是保障船舶在港湾、湖泊等水域中安全航行的必要条件。如果某些港口与航行途中存在大量泥沙富集在河床上，将导致船舶的正常通行、安全运输、顺利停靠受到严重干扰，故清除河床的淤泥在水路运输行业中显得尤为重要。

现在的挖泥船多种多样，不同类型的挖泥船根据其工作环境及使用特点不同均有广泛的应用。与其他挖泥船相比，耙吸挖泥船在疏浚作业时所采取的方式是边移动边进行挖泥作业，并且可实现挖泥、装泥和卸泥多种功能，具有自航性，不仅不需要其他船只的辅助作业，也不会影响周围其他船舶航行；疏浚过程中耙吸式挖泥船行进与挖泥同时进行，疏浚效率相对较高；配备有泥泵和污泥排放管线的耙吸挖泥船可以进行吹填作业，将泥浆吹填到陆地上进行填陆。基于以上优点，目前耙吸挖泥船在海内外各大规模吹填作业和围海造陆工程中已充分展示其能力，由此其受到来自国内外疏浚行业不断增多的关注。

耙吸式挖泥船的挖泥设备是耙头，这是其与其它挖泥船最大的区别。疏浚业内进行的研究试验均显示，在对硬度大的泥沙进行作业的时候，仅通过耙齿的切削力进行挖掘，其挖掘程度达不到理想程度；而在采用装有高压喷嘴的耙头后，其破土效率与不用高压冲水的耙头相比基本可提高90%以上。 现有关于耙吸式挖泥船的研究主要集中在结构优化和施工工艺，而针对耙头上装载的喷水装置研究相对较少，其效率还有很大提升空间。喷水装置工作参数受泥质、暗流、地形的影响很大，喷水压力、喷射角度等关键参数设置不当， 有可能造成吸泥管堵塞，耙头工作效率下降，因此有必要对耙头喷水装置进行系统的研究。

基于此，提出了“ 耙吸式挖泥船耙头喷嘴排列优化”的课题，以提高耙头效率为目标，以耙头喷嘴排列优化为主线，系统研究了喷嘴的流动特性。本文拟利用计算流体动力学分析软件Fluent对耙吸船耙头喷嘴的排列方式进行数值模拟，掌握耙吸船喷水装置的流动特性，不同排列方式下耙头流场动力学特性进行分析，为耙头设计提供有价值的参考。

1.2 研究内容

本文拟利用计算流体动力学分析软件Fluent对耙吸船耙头喷嘴的排列方式进行数值模拟，掌握耙吸船喷水装置的流动特性，不同排列方式及工作参数下耙头流场动力学特性进行分析，为耙头设计提供有价值的参考。

基于现有的喷嘴排列方式进行计算和仿真，合理设计喷嘴位置，改善耙头上多排分布喷嘴的协同工作能力，保证耙头工作效率的最大化。

1.3 研究方法

1）通过文献查阅、实验室参观等，熟悉掌握耙吸式挖泥船耙头及其喷嘴的基本原理；

2）用几何建模软件建立耙吸船耙头喷嘴数值模拟的模型；

3）利用有限元分析软件ANSYS等建立耙头系统的数学模型并对不同排列方式下耙头喷嘴进行数据测定，根据结果进行优化；

4）根据耙头喷水系统装置模型，对其性能实施评估分析。

1.4 研究目标

以提高耙头效率为目标，以耙头喷嘴排列优化为主线，系统研究了喷嘴的流动特性。 拟利用计算流体动力学分析软件 Fluent对耙吸船耙头喷嘴的排列方式进行数值模拟，掌握耙吸船喷水装置的流动特性，不同排列方式及工作参数下耙头流场动力学特性进行分析以期找出喷嘴的最佳排列组合方式，使冲击深度和冲击面积满足要求，从而进一步改进其冲刷和疏松土层的能力，实现增强耙头喷水系统的冲击能力，提高其耙头挖掘效率。

1.5 国内外研究现状

1.5.1 耙吸式挖泥船简介与发展

1.5.1.1 耙吸式挖泥船简介

耙吸挖泥船是一种自航式挖泥船，其上配有耙管、耙头。耙头可以使机械挖掘与水力冲刷同部进行，作业船在到达需要作业区域后，减小航速并将耙头放出直到到达沙床上。 耙头的耙齿切削泥沙，然后冲水装置使其液化，液化的泥沙被舱内的泥泵或耙臂泵吸取，随之被排入作业船中的泥舱。若船舶的泥舱装满和达到预期容量，挖泥作业停止然后根据预期命令行驶到某一位置实施卸泥作业。

耙吸挖泥船由于可自动航行、自动挖掘、自动吹填、自动载运、自动卸泥，故其航海性能十分优秀。在挖泥及吹填过程中基本只占有小面积水域作业，可挖掘各种类型及各种粒径的砂石泥土等。由于其有自航性，不耗费大量人力物力，因此其适用于水域开阔的港口及较长距离航道的疏浚工程等，并由于其配备有艏吹装置，故又可承担某些区域填海造陆工程。

耙吸挖泥船挖泥设备基本包括下面几类：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：