VLCC压载水舱中泥沙沉淀的数值模拟

【摘要】：船舶的压载水舱在注入压载水时常常会带入大量的泥沙,泥沙在压载水舱中的运动与堆积常会带来舱室腐蚀、磨损和环境污染等一系列的问题。控制泥沙在舱中的分布,减小其对舱室结构的破坏范围一直是人们追求的目标。专家学者们对此问题进行了广泛的研究,但目前也只是处于起步阶段。 随着CFD计算流体力学的蓬勃发展,用数值模拟的手段已经可以准确的把握流体的运动规律。为了解在向压载水舱注入压载水过程中舱内的流场运动情况以及水中泥沙最终的沉降及分布情况,本文运用商业软件Fluent对上述情况进行了模拟。基于前人的研究成果,本文采用标准k-ε模型对湍流模型进行模拟,同时采用Mixture混合物模型对舱室内的空气相,水相和泥沙相进行三相混合流的模拟。 本文的研究对象取自一条VLCC实船的舷侧压载水舱,对该舱进行了注入压载水全程的模拟。得到了各个时刻下舱内的流场状况、泥沙在舱室中的分布规律以及出口处泥沙的逃逸情况。以最终时刻泥沙的沉降分布情况为依据,本文分析了舱内人孔、溢流孔的尺寸及位置对流体速度场和湍流场的分布产生的关键作用,进而讨论了流速和湍流状况等因素对沉沙效果的重要影响。最后通过对内部结构改进之后的压载水舱方案的模拟,得到了更加优化的沉沙效果。 从模拟结果的分析比较可以看出：(1)在注入压载水的过程中,舱室内流速分布是不均匀的,从舱底到舱顶速度呈递减趋势；(2)泥沙沉降的区域主要集中在舱底板上和平台上,且泥沙浓度在整个舱室中沿高度方向呈明显递减趋势；(3)由于实肋骨的截流作用,舱底板和平台上的高浓度泥沙主要堆积在实肋骨附近以及板焊缝线和角隅等地方；(4)泥沙的沉降率与水流的流速及湍流强度有关,水流越缓和平稳湍流强度越小越有利于泥沙的沉降；(5)舱中孔的位置及尺寸设计越合理就越能够改善流速和湍流强度进而来优化舱内的流场,从而达到优化沉沙效果的目的,本文通过加大人孔尺寸,适当调整溢流孔位置和个数来提高沉沙率并优化了沉沙分布。