绞刀吸入口局部阻力系数的实测分析
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【摘要】绞吸应用在泥浆输运方面非常频繁，这种疏浚都有一个绞刀在吸管的前面用来切削泥土，并将切削后的泥土通过泵的抽吸由绞刀底部的吸口进入运输至船舱或其它区域。由于诸多因素如泥土类型，绞刀的转速，在吸管内的流量和绞刀头的形状等，不是所有泥浆都能吸上来，且有一部分泥土在进入吸口内前留在了绞刀头内，即所谓的溢出，而减少溢出的办法就是提高对吸泥口泥土的水力输送能力。本文主要分析吸管的局部阻力系数大小，为进一步提高绞吸的泥浆输送能力提供设计参考。
【关键词】疏浚；绞吸；局部阻力系数
1、引言
绞吸式挖泥船是目前在疏浚工程中运用较为广泛的一种船舶，它是利用吸泥管前端围绕吸泥管装设的旋转绞刀装置，将河底泥沙进行切削和搅动，再经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力输送到泥沙物料堆积场，它的挖泥、运泥、泻泥等工作过程可以一次连续完成，是一种效率高、成本较低的挖泥船，是良好的水下挖掘机械。无论是大型还是中小型的绞吸式挖泥船，主要有船体、吸排泥管、泥泵、定位装置和液压系统等组成，是一种非自航式的挖泥船。本义以相似性原理为基础，用实际绞刀大小的1/4的模型来进行现场模拟和测试，绞刀的直径约为0.35米，吸入口的面积为0.04m2，测试的水槽长7.5米，宽3米，深1.6米。
2.1局部阻力损失
所谓局部阻力损失是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。通常，管流中单位重量流体的局部能量损失如下式表示：为局部阻力损失系数
2.2测试点的位置及局部阻力系数的计算
假设水面为自由基础面，选取绞刀底面靠近吸入口附件的三个测试点（如图1所示）来说明在不同工况下局部阻力系数的变化情况，同时绞刀吸入口的测压点如下图2所示。测压点水头在流体静止时用伯努利方程表示如公式（1）所示。
在泵的抽吸作用下流体流动时，绞刀吸泥口测压点水头的伯努利方程表示如公式（2）所示
由于流体的流动将产生阻力损失hf，相对静止时比较可得
设流体静止时真空度为pv，流体流动时真空度为pv1，绝对压强为 pa，则pa=p-pv，pa=p1-pv1，那么
由于，所以局部阻力系数计算公式为：
2.3测量的方式及工况
从局部阻力系数的计算公式可以看出，它主要与真空度的变化和管道内流体流速有关。在实验中发现，绞刀的旋转对真空度的影响较小，泵吸作用即流量的变化决定了真空度的变化。由于局部阻力系数跟绞刀流场测量点的位置无关，因此可以通过每一次对绞刀周围不同位置的测量点进行流速测量时，观察记录输送管道真空度的变化情况。本文选取绞刀端部的测量点A1，B1和C1在绞刀流速为0rpm，30rpm，60rpm，90rpm，120rpm及流量为75m3/h，105m3/h，134m3/h的工况下计算局部阻力系数。
3、数据结果及分析
根据三个测量点的实测数据结果计算制作成表，具体见下图3所示：
从图中可以发现：
1）在同一个测量点，随着绞刀转速和流量的增加，局部阻力系数变化趋势是一致的；在不同的测量点，局部阻力系数变化趋势并不完全一致。
2）在同一流量下，随着绞刀转速的增加，局部阻力系数有波动，并且可以找到局部系数较小值。
3）在同一绞刀转速下，随着流量的增加局部阻力系数增大。
造成上述现象主要是因为测量点位置跟局部阻力系数无关，因此测量点的局部阻力系数变化趋势不一致应该是由实验误差引起的，由于局部阻力损失相对较小，在较小的流量下易引起局部阻力系数的波动；同时绞刀旋转和流量的变化都对流场产生作用，因此在它们两者的共同作用下可以找到一个局部系数较小值，从实验数据上看，一般这个较小值出现在流量较小，转速较大的时候，由此可知：局部阻力系数跟绞刀转速和流量有关，在同一工况下可以找到局部阻力系数较小值。
4、结语
计算和测量局部阻力损失有助于增加水力输送问题的理解，反过来又能了解疏浚作业工况的实际选择性；另一方面，这些计算和测量能用来作为增加理解流体管道对流动状况的影响，其最终目的提高管道输送能力，减少溢流的产生。
参考文献
[1]天津航道局译.疏浚工程学[M].天津航道局，1997
[2]薛祖绳.周云龙合编.工程流体力学.中国电力出版社
[3]天津航道局.疏浚技术发展动向及对策[J].水运工程，1996.02