利用三维计算流体动力学（3D CFD）、泥浆取样和流变学方法评估拖头定位对疏浚作业性能的影响

《Ocean Engineering》：Evaluating the role of draghead positioning in dredging performance using 3D CFD, mud sampling, and rheometry

挖泥效率受拖头位置影响，通过高精度CFD模拟与双Bingham-Herschel-Bulkley流变学模型，揭示不同泥层（ML1-ML3）的流变特性及抽吸通量规律，提出最优拖头位置为ML3层，需权衡经济性与环境成本。

　　### 中国海港疏浚作业中的流变建模与拖头位置优化研究

在疏浚作业中，泥沙的流变特性对工程效率和环境影响具有重要影响。本研究旨在通过高精度计算流体力学（CFD）模拟和识别泥沙的复杂流变行为，深入探讨拖头位置对疏浚效率的影响。研究首先描述了泥沙采样过程，随后详细介绍了流变实验、流变建模和统计数据处理方法。泥沙样本从英国哈里奇港的五个不同地点采集，涵盖了从0到0.30米、0.30到0.45米、0.45到0.59米、0.0到0.07米、0.07到0.15米、0.15到0.75米等多个深度。通过对泥沙成分（如沙、淤泥和有机物）和整体密度的分析，研究人员发现泥沙的流变行为受到其组成和密度的显著影响。为准确捕捉泥沙的流变特性，研究团队选择了双重Bingham和Herschel-Bulkley模型，该模型在实验数据拟合方面表现良好。

在进行CFD模拟之前，该模型在流变仪单元中进行了验证，通过将计算出的扭矩与实验数据进行对比，确保模型的准确性。随后，研究团队对大规模的疏浚场景进行了CFD模拟，分析了不同泥层在拖头操作深度变化时的流量变化。通过模拟不同拖头位置下的泥沙流量数据，研究人员评估了多种疏浚策略，并基于经济和环境因素提出了拖头操作深度的优化建议。这些建议不仅考虑了燃料消耗等经济指标，还关注了疏浚过程对水道环境的影响。

### 泥沙采样与分析

为了实现研究目标，研究人员从五个不同的采样点采集了泥沙样本，并将这些样本分层处理，以确保数据的一致性和代表性。采样点和深度的选择基于实际疏浚需求，同时遵循了相关行业的采样规范。采样设备采用了Frahm钻头，并结合了定制设计的采样管，以便于后续的流变实验准备。采集的样本随后被分为不同的层，每层分别保存在密封容器中，再送往实验室进行分析。

采样过程中，研究人员特别关注了样本的准确性和代表性。尽管直接的钻头分析能够提供更精确的密度测量，但考虑到实际操作中的物流限制，采用了Rheotune设备进行测量。Rheotune可以测量高达1.8 kg/m3的密度，而实际测量的密度值则在1.6 kg/m3左右。此外，研究还测量了泥沙的颗粒大小分布（PSD）和有机物含量（LOI），以进一步了解其物理和化学特性。

### 泥沙流变特性研究

本研究采用了多种流变实验方法，包括剪切速率步进协议（Claeys协议）和流变仪测试，以评估泥沙的流变行为。通过对不同剪切速率下的扭矩和剪切应力进行分析，研究人员发现泥沙的流变特性具有高度的非线性，且其行为受到深度和位置的显著影响。例如，某些样本在较低剪切速率下表现出较高的剪切应力响应，而另一些样本则表现出较为复杂的流变行为，如双步屈服、触变性和反触变性等。

为了更准确地描述泥沙的流变特性，研究人员提出了双重Bingham和Herschel-Bulkley（DBHB）模型。该模型结合了Bingham模型和Herschel-Bulkley模型的优点，能够更好地拟合泥沙的流变行为，特别是在中间剪切速率范围内。研究人员还发现，某些样本在较低剪切速率下表现出较高的剪切应力响应，这可能是由于采样过程中可能存在的滑移效应或泥沙结构的破坏所导致。

### 流变模型的开发与验证

在流变模型的开发过程中，研究人员使用了OpenFOAM开源CFD框架，对DBHB模型进行了实现和验证。为了确保模型的准确性，研究人员首先对流变仪的几何结构进行了建模，模拟了流变仪单元中的剪切应力和扭矩，并将其与实验数据进行对比。模拟结果显示，CFD模型能够较好地捕捉泥沙的流变行为，尽管在某些情况下存在约25%到56%的扭矩偏差。

为了进一步验证模型的可靠性，研究人员还对不同网格尺寸进行了测试，以确保模拟结果与网格无关。结果显示，当网格尺寸从较粗的1700万个单元增加到更细的23600万个单元时，扭矩的计算值变化较小，约为17%。因此，研究团队选择了中等网格尺寸（约6600万个单元）作为后续分析的基础。该模型能够准确地模拟泥沙在疏浚过程中的行为，从而为实际工程提供指导。

### 拖头位置对疏浚效率的影响

研究团队进一步探讨了拖头位置对疏浚效率的影响。通过模拟拖头在不同深度下的疏浚过程，研究人员发现，当拖头位于更深的位置时，疏浚的泥沙体积和质量都会增加。然而，这种增加的幅度相对较小，仅在最深的位置（P3）表现出显著的差异。例如，拖头位于P1时，平均泥沙体积移除率为2.48 m3/s，而位于P3时，这一数值增加到了3.12 m3/s。同样，疏浚的泥沙质量移除率也随着拖头位置的加深而增加，P3时的平均质量移除率为1751 kg/s，而P1时仅为1228 kg/s。

这一结果表明，拖头位置对疏浚效率具有显著影响。然而，这种影响并不总是线性的，某些泥层在较浅的位置表现出更高的剪切应力响应。例如，HHA230304/1层在较浅的位置表现出更高的剪切应力响应，而HHA230304/2层则表现出较低的响应。这可能与采样深度的界定有关，也可能与泥沙的物理特性有关。

### 结论与建议

综上所述，本研究通过高精度CFD模拟和流变实验，深入探讨了拖头位置对疏浚效率的影响。研究发现，泥沙的流变特性受到其组成和密度的显著影响，因此在实际疏浚过程中，需要综合考虑这些因素。此外，CFD模拟结果表明，拖头位置的优化能够显著提高疏浚效率，但同时也增加了燃料消耗等经济成本。

因此，研究人员建议在未来的疏浚项目中，采用更加精确的采样策略，以确保数据的准确性和代表性。同时，应结合流变实验和CFD模拟，综合评估不同拖头位置的疏浚效果，以实现经济和环境效益的最大化。此外，研究还指出，流变模型的进一步改进可能有助于更好地捕捉泥沙的非线性行为，从而为实际工程提供更精确的指导。