羅繼曼，印 輝，郭松濤,戴璐璐

(沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110168)

清淤裝置作為管道清淤機(jī)器人的核心裝置，其清淤能力和清淤效果是評(píng)價(jià)該裝置設(shè)計(jì)合理性的重要指標(biāo)。使用機(jī)械化裝置對(duì)排污管道進(jìn)行清淤過程中，因清淤裝置的幾何復(fù)雜性，以及管道內(nèi)流體、固體及氣體等介質(zhì)的未知的相互作用，使得實(shí)際的清淤過程產(chǎn)生了復(fù)雜的流固耦合效應(yīng)[1]。

目前，中外對(duì)清淤裝置的研究很少，而在流固耦合研究中大多對(duì)固體裝置在流體中的模態(tài)、強(qiáng)度或者力學(xué)特性進(jìn)行研究。吳曉茹等[2]對(duì)懸浮式液壓立柱進(jìn)行靜力學(xué)和單向流固耦合分析，研究其在不同載荷工況下的應(yīng)力和變形情況，保證液壓立柱具有良好的強(qiáng)度和工作性能。隋秀華等[3]從單向流固耦合方向?qū)Ω左w結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析該缸體的應(yīng)力和變形，確定缸體的危險(xiǎn)位置。前人對(duì)流固耦合研究多是通過流體作用后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)分析，缺少結(jié)構(gòu)對(duì)流體作用的深入研究。研究結(jié)構(gòu)作用于流體后流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是驗(yàn)證清淤裝置的清淤能力的有效直觀的方法。

基于此，利用有限元方法對(duì)管道機(jī)器人清淤裝置在管道中進(jìn)行流固耦合研究，得到清淤裝置與流體相互作用后的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以驗(yàn)證其清淤能力，為該裝置的控制系統(tǒng)的研究提供理論依據(jù)。

1 清淤裝置模型

1.1 清淤機(jī)器人模型

以大管徑的管道機(jī)器人為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新型管道清淤機(jī)器人。新型管道清淤機(jī)器人的工作環(huán)境為直徑800～1 000 mm，縱深長(zhǎng)度小于90 m的地下排水管道?？紤]到管道形狀和尺寸，機(jī)器人體積盡可能地小，考慮到排水管道形狀多為圓形，因此機(jī)器人外形采用圓柱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其機(jī)械系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為輪式行走機(jī)構(gòu)、步進(jìn)機(jī)構(gòu)和清淤機(jī)構(gòu)，如圖1所示。清淤機(jī)構(gòu)是管道清淤機(jī)器人清除管道淤泥的核心部件由支撐裝置、清淤盤和葉片組成，如圖2所示。

1為步進(jìn)機(jī)構(gòu)；2為輪式行走機(jī)構(gòu)；3為清淤機(jī)構(gòu)圖1 管道清淤器人整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 The picture of robot structure

1為扇形盤；2為連接盤；3為支撐盤；4為主軸；5為葉片；6為彈簧；7為刮刀圖2 清淤裝置剖視圖Fig.2 The sectional view of dredging device

1.2 工作原理

在推進(jìn)系統(tǒng)和主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)刮削-攪拌-過濾-推進(jìn)-自流沖刷的五位一體清淤動(dòng)作。扇形盤通過彈簧和滑道的作用可實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)的過載保護(hù)功能，在清淤裝置的動(dòng)力特性研究中得到扇形盤在滑道內(nèi)的振動(dòng)幅度很小，對(duì)流體的影響很小，即在流固耦合分析時(shí)不考慮扇形盤的振動(dòng)。

1.3 確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)

確定清淤運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度,在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，分析污泥的流變特性得出以下結(jié)論。如圖3所示，當(dāng)清淤盤旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到0.3～1.6 r/s時(shí)，污泥的黏度下降率可達(dá)到90%以上，并逐漸趨于穩(wěn)定即達(dá)到極限黏度[4]，依據(jù)這一結(jié)論，確定了清淤盤的轉(zhuǎn)速為0.3～1.6 r/s。通過查閱城市排污管道相關(guān)資料[5]，設(shè)定清淤工況，參數(shù)如表1所示。機(jī)器人在管道內(nèi)清淤時(shí)，前進(jìn)的阻力主要來自污水流動(dòng)的作用，根據(jù)表1所示的污水流速，考慮順流時(shí)阻力為0的理想狀態(tài)，確定清淤裝置前進(jìn)方向的速度為0.5～2.5 m/s。

圖3 污泥流變特性曲線Fig.3 The curve of sludge rheology characteristic

表1 清淤裝置的工況參數(shù)Table 1 Working condition of dredging device

2 流固耦合分析

固體和液體之間的相互作用是流固耦合力學(xué)的重要特征，即：在流體載荷作用下固體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形或運(yùn)動(dòng)，同樣變形或運(yùn)動(dòng)又會(huì)對(duì)液體流場(chǎng)產(chǎn)生影響，改變?cè)摿黧w載荷的分布和大小。在這種相互作用和不同條件下產(chǎn)生了形形色色的流固耦合現(xiàn)象[6]。

2.1 流固模型處理

將簡(jiǎn)化后的清淤裝置模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，并通過Geometry工具為其添加流體域，并進(jìn)行布爾減運(yùn)算處理流固域重疊部分，將處理過的流固模型導(dǎo)入到mesh模塊，由于清淤裝置結(jié)構(gòu)不規(guī)整，而流體域和部分結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，所以采取MultiZone網(wǎng)格劃分方法，采取系統(tǒng)默認(rèn)的識(shí)別方法自動(dòng)劃分合適的網(wǎng)格。

圖4 流體域有限元模型Fig.4 Fluid domain finite element model

2.2 有限元模型

模型基于流體域的網(wǎng)格劃分如圖4所示，其中有458 858個(gè)單元，共計(jì)127 468個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型基于固體域的網(wǎng)格劃分如圖5所示，有270 423單元，共計(jì)57 588個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限，網(wǎng)格劃分將流固耦合交界面處劃分的較細(xì)，而距離耦合面處比較遠(yuǎn)的流體域處劃分的較大，這樣可以在不影響精度的前提下節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

圖5 固體域有限元模型Fig.5 Solid domain finite element model

3 流固耦合的有限元法

3.1 流固耦合方程

流固耦合分析常采用分離解法[7]。分離解法又稱載荷傳遞法，是為研究清淤裝置對(duì)流體的作用采取固-流單向耦合仿真方法，即采用數(shù)據(jù)由固體傳遞到流體的傳遞路徑。結(jié)構(gòu)對(duì)流體的作用體現(xiàn)在流體的壓力和速度的改變，因此用速度和壓力來描述流體運(yùn)動(dòng)[8]。

3.1.1 壓力場(chǎng)下的流體運(yùn)動(dòng)方程

設(shè)污泥流體為均勻不可壓縮介質(zhì)，可得流體動(dòng)力平衡方程為

(1)

在流體連續(xù)下條件下[式(2)]得到基于壓力場(chǎng)表達(dá)的流體運(yùn)動(dòng)方程[式(3)]。

(2)

(3)

3.1.2 速度場(chǎng)下的流體運(yùn)動(dòng)方程

存在以速度勢(shì)φ(x,y,z,t)與速度分量得到流體動(dòng)平衡方程為

(4)

在流體連續(xù)條件[式(5)]下得到速度勢(shì)的流體運(yùn)動(dòng)方程[式(6)]。

(5)

(6)

3.1.3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

(7)

3.1.4 耦合面的數(shù)據(jù)傳遞

基于流固耦合分析的數(shù)據(jù)傳遞路徑是通過接觸面將流體計(jì)算結(jié)果和固體計(jì)算結(jié)果相互交換傳遞[9]，如圖4所示。在耦合接觸面處，該清淤裝置的位移變量可以傳遞給流體，流體的應(yīng)力變量也可以傳遞給清淤裝置，但基于流固耦合分析的速度參數(shù)不能傳遞到固體耦合面上，同樣固體耦合面上應(yīng)力分布也無法傳遞到流體場(chǎng)中[10]。

3.2 流固耦合參數(shù)設(shè)置

進(jìn)入CFX(computational fluid X)模塊，根據(jù)表1所示的工況參數(shù)，由于計(jì)算能力有限設(shè)置流體域長(zhǎng)度為1 000 mm，流體域直徑為320 mm，污水流速為2.5 m/s，密度為2 600 kg/m3，出口壓力為0。對(duì)給排水管道進(jìn)行水利計(jì)算時(shí)，管道內(nèi)流體流態(tài)均按湍流考慮，湍流模型設(shè)置為K-epsilon，動(dòng)力黏度為0.01 Pa·s。

為驗(yàn)證清淤能力，清淤能力仿真采取固-流單向耦合設(shè)置計(jì)算。根據(jù)1.3節(jié)清淤裝置轉(zhuǎn)速、前進(jìn)方向速度以及流體流速，考慮順流和逆流的實(shí)際工況，并在逆流條件下在最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速時(shí)，在順流條件下考慮無阻力時(shí)，計(jì)算清淤裝置對(duì)流體的耦合作用，仿真初始條件如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameter

3.3 流固耦合后處理

設(shè)置收斂精度為0.001，耦合迭代曲線在計(jì)算到700步時(shí)各參數(shù)收斂?？紤]真實(shí)工況下的重力作用，流固耦合后處理時(shí)選取Y方向的管道中間界面提取仿真示意圖。逆流高轉(zhuǎn)速時(shí)，基于速度和壓力的流體運(yùn)動(dòng)曲線如圖6所示；逆流低轉(zhuǎn)速時(shí)，基于速度和壓力的流體運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示；順流高轉(zhuǎn)速時(shí)，基于速度和壓力的流體運(yùn)動(dòng)曲線如圖8所示。仿真分析結(jié)果如表3所示。

圖6 逆流高轉(zhuǎn)速Fig.6 Countercurrent and high speed

圖7 逆流低轉(zhuǎn)速Fig.7 Downstream and down speed

圖8 順流高轉(zhuǎn)速Fig.8 Downstream and high speed

表3 仿真分析結(jié)果Table 3 Analysis result of simulation

分析圖6～圖8、表3可知：①逆流條件下，高轉(zhuǎn)速(100 r/min)與低轉(zhuǎn)速(20 r/min)時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)流體產(chǎn)生的壓力相同，高轉(zhuǎn)速相對(duì)低轉(zhuǎn)速情況下結(jié)構(gòu)對(duì)流體作用的速度提高了27.4%，高轉(zhuǎn)速是低轉(zhuǎn)速的5倍，故轉(zhuǎn)速對(duì)流體運(yùn)動(dòng)速度的提高效率比較低；②在高轉(zhuǎn)速條件下，逆流流速相對(duì)順流流速提高66.1%，逆流流體壓力相對(duì)順流流體壓力提高210.6%；③對(duì)比圖6與圖7可知，逆流高轉(zhuǎn)速相對(duì)逆流低轉(zhuǎn)速，流體的紊流狀態(tài)范圍更大、更顯著，而逆流低轉(zhuǎn)速時(shí)，流體的紊流狀態(tài)只發(fā)生在清淤裝置的中后部；④對(duì)比圖6和圖8可知，高轉(zhuǎn)速時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)均在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)發(fā)生滯后于清淤裝置的旋流，而逆流相對(duì)于順流時(shí)，清淤裝置前后的流體的紊流狀態(tài)更顯著。

4 結(jié)論

對(duì)清淤裝置進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)條件下的流固單向耦合研究，得到以下結(jié)論。

(1)流體最大速度與最大應(yīng)力均發(fā)生在清淤裝置與流體接觸面處，以及清淤裝置的旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，清淤裝置在逆流高轉(zhuǎn)速條件下對(duì)流體的攪拌作用效果顯著，有利于將沉積在管道內(nèi)壁底部的淤泥攪拌并細(xì)化成推移質(zhì)狀態(tài)。

(2)通過清淤裝置的流體會(huì)發(fā)生劇烈不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有利于淤泥的離散化；高轉(zhuǎn)下的攪拌效果更好，逆流條件下清淤裝置對(duì)流體作用的速度與壓力更大，對(duì)淤泥的清淤效果更好。