复杂疏浚物管道输送阻力特性、淤堵机理及控制策略研究

As the deep-water dredging develops, modern dredging is not necessarily restricted to ordinary sands and may go to sludge, clay, rock, mineral, coral reef, and even biological remains like shells. When the above particles gather in the pipes, their different attributes, sizes and dynamics can easily result in problems like resistance rising, transport distance shortening, and even pipeline blockage. To solve these problems, this project combines theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. It starts from constitutive equations relating to complex dynamic features of flowing pipeline slurries, to deduce the control equations. With Large Eddy Simulation to describe the flow characteristics of slurries, and Discrete Element Method to analyze the dynamic behaviors of slurry particles, this project has worked out the dynamic variation regulations of pipeline resistance under the effect of multi-factor coupling, and has explored the key and controlling characteristic parameters in the transport process. Its experiments make researches on how to design the pipeline, how to avoid blockage under some special working conditions, and how to vary transport parameters to reduce blockage, aiming to provide references for optimizing pipeline design and ensuring continuous good operation in the case of complex slurry mixture.

随着深水疏浚的发展，现代挖泥船疏浚对象成份不再局限于一般的泥沙，可能包含淤泥、粘土、岩石、矿物、珊瑚礁甚至贝壳等生物残体，当上述不同特性、不同粒径和不同形状的颗粒物聚合在一起形成复杂疏浚物混合输送时，由于管道内各成份的动力学特性不同，会导致管道阻力大、输送距离短甚至产生淤堵等问题。本项目以此为背景，利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，从复杂疏浚物管内流动特性的本构方程出发，推导控制方程，采用大涡模拟方法描述泥浆的流动特性，离散单元法分析泥沙颗粒的动力学行为，分析多因素耦合作用下复杂疏浚物管道阻力特性动态变化规律，探讨主导输送过程的关键特征参数。设计管道输送试验，开展特殊工况防淤堵实验研究，探索通过调控输送参数来改善淤堵程度的策略，为复杂疏浚物管道输送系统优化设计与长周期持续运行提供参考。

疏浚工程中，挖泥船通常通过管路来输送泥沙等疏浚物，不同土质的疏浚物管道输送阻力特性迥异，掌握疏浚物管路输送特性是挖泥船绿色高效施工的关键。目前利用工程经验公式可以较准确的计算细沙、粉土和淤泥等细颗粒物的输送特性，但对于粗颗粒的研究，尤其是不同粒径、不同形状和不同特性的复杂疏浚物的管道特性研究较少。本项目以此为突破点，首先研究了不同粒径颗粒物的管道输送经验模型，针对不同的颗粒物特性，利用双欧拉方法和欧拉拉格朗日方法对不同级配的颗粒进行了数值模拟，并将数值模拟、DHLLDV经验公式与试验数据进行了比较，证明了数值模拟方法的正确性。随后利用CFD-DEM耦合方法，对粗颗粒的管道输送特性进行了研究，研究了粒径、形状、速度和浓度等多因素耦合作用下复杂疏浚物管道阻力特性动态变化规律，并分析了粗颗粒物在管道内的受力情况，探讨了球型、饼型和条型等不同形状粗颗粒物的管道淤堵发生机制和临界点。设计了管道输送试验，开展部分实验研究，对数值模拟结论进行了验证。本项目获得了大量的粗颗粒物输的阻力特性数据，对于疏浚工程中粗颗粒物的输送工况设计具有一定的参考价值。