耙吸式挖泥船泥浆与管道输送的建模与仿真.pdf

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1、第39卷第5期2010年lO月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．39No．5Oct．2010DOI．10．3963／j．issn．1671—7953．2010．05．014耙吸式挖泥船泥浆与管道输送的建模与仿真师光飞1，朱志华2，陈辉1。高海波1(1．武汉理工大学能动学院，武汉430063；2．上海海事局，上海222042)摘要：建立耙吸式挖泥船泥浆与管道输送的数学模型，在MATLAB／SIMULINK下建立相应的仿真模型。实例仿真结果表示，根据不同情况，通过控制泥泵的转速以控制泥浆在管道串的流速，可以提高其工作效率。关键词：SIMULINK；耙吸式挖泥船；

2、泥浆与管道输送；仿真中图分类号：U674．31文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)05—0046—04自20世纪六七十年代以来，继20万t级超级油轮和其他超大型船舶问世后，应运而生的大型港口和航道的加深加宽，使得耙吸式挖泥船有了更广泛的应用与发展。因此，耙吸式挖泥船的作业仿真具有重要的意义。基于MATI．AB／SIM-UI。INK对耙吸式挖泥船的泥浆及管道输送建立数学模型和仿真模型，并对其结果进行分析研究。1泥泵及管道的数学模型1)由于排高Z产生的水头损失[11H。。Hl—Zy’。(1)式中：／。——泥浆相对密度。2)输送清水时管路的沿程阻力损失H：。r。#H2一

3、Ax云×丧(2)式中：A——摩阻系数；L——管道长度，m；D一泥泵直径，m；z卜泥浆流速，m／s；r重力加速度，m／s2。3)输送泥浆时的管路沿程阻力损失。耙吸式挖泥船管道中的泥沙是同液两相流，其阻力不仅包括清水阻力，而且还包括因固体颗粒而引起的附加阻力损失。根据泥浆在管道中的46收稿日期：2009—1l—05修回日期：2009—12-10资助项目：高速船舶工程教育部重点实验室开放基金项目(Hss皿802)作者简介：师光飞(1978一)，男，硕士生。研究方向：耙吸式挖泥船建模与仿莫E-mail：sgf313@163．{：ore运动形式不同，大致分为泥浆均匀流移和非均匀流移两种，对于

4、前者，输送泥浆的损失Hzt可以用输送清水换算：Hzl—H×／。(3)式中；H——泥泵的总扬程。对于非均匀流移，杜兰德以重力理论为基础，归纳了单位长度管道的水头阻力公式[2]：(訾)一盎×{·+pKd[搿厂)(4)式中：优——根据土质及泥浆浓度所得系数；口。——颗粒沉降速度，ram／s}d。——颗粒直径，mm；Kd——实验系数。仇及K。的值可以计算出来，文中实例对应1．5和2．0两种泥浆相对密度，Kd的值通过计算分别为72和121。4)管道的局部阻力水头损失Hs。H3一∑毒募(5)式中：￡——局部阻力系数。5)管路出口的流速损失Ht。H4一鬟(6)式中：．U：——管道排泥管泥浆流速，

5、m／s。泥泵管路系统满足的微分方程[3]：∑Api—Ap。+∑￡了1‰胡+∑i一。+∑￡了‰胡+7．,gHt+‰Ld百,oz(7)式中：H。——管道爬升高度，m；‰——浆体密度，t／m3；耙吸式挖泥船泥浆与管道输送的建模与仿真——师光飞，朱志华，陈辉，高海波警——浆体加速度，m／sz；L——管道长度，m。公式左边是泥泵的总进出口压力差，右边第一项是管路的沿程损失，第二项是所有管路局部损失之和，第三项是浆体势能变化，第四项是浆体的惯性能。6)通过流体伯努利方程可得到泥泵的总水头数学模型：H—Z2+号+差一(z，+等+丢)(8)式中：r重度，N／m35P1、P2——泥泵进、出口压力，P

6、a；口I、现——泥泵进、出口流速，m／s；Z1、易——泥泵进、出口离水平面高度差，m。7)泥管出口管径大于或等于进口管径，泥浆流速可能不同，但管路的进出口流量是相同的，即有：VlAl一秒2A2(9)式中：A。、Az——不同管段的截面积；刀·——吸泥管泥浆流速，m／s。8)将离心泵在不同转速下的性能曲线同比例绘在同一坐标内而得到离心泵的通用性能曲线。由通用性能曲线可得到泥泵的扬程与泥泵的流量平方成正比关系，即有：H-----kQ2(10)9)耙吸式挖泥船湿方产量瞬时值计算公式[2]：W一型塑．姓(11)A‘±y0—7w式中：W——产量值，m3／s；Dl——输泥管内径，ml‰——水的密

7、度，t／m3；％——原状土的密度，t／m3。结合上述数学模型(1)～(11)构成泥浆及管道输送数学仿真模型的整体框架。2MATLAB／SIMULINK下的仿真模型SIMUI。INK交互式仿真集成环境是MAT—LAB最重要的组件之一，提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。当泥泵输送泥浆的时候，泥浆在管路流移的过程中，管道的沿程损失将会因为泥浆的流态不同而有所不同，故仿真模型分为两种情况：泥浆均匀流移或近似均匀流移和泥浆非均匀流移。据此，仿真模型分成三组进行：