技术摘要：
本发明公开了疏浚工程技术领域的一种气泡帘围控疏浚物的数值模拟方法，对气泡帘围控疏浚物进行CFD建模，构建VOF和DPM的耦合模型模拟大气、水、气泡和疏浚物的四相瞬态动力学系统；根据工程实例，进行三维建模，网格划分，设置气泡帘和疏浚物的源头，设置边界条件和初始  全部
背景技术：
疏浚工程在挖泥及吹填溢流过程中使原有的污染底泥层物质或非污染原生土颗 粒的扰动和扩散加剧，所产生的悬浮疏浚物在短期内急剧增加，不同程度地对周围水域造 成污染。目前，防止疏浚过程中悬浮物扩散的一种相对简单的措施是在疏浚设备周围或整 个疏浚区域设置封闭的土工布防污帘进行环保施工，这种防污帘的设置可一定程度地控制 悬浮物的扩散来满足疏浚水域对环保施工的要求，但由于船舶进出施工区域须频繁打开防 污帘，尤其是对疏浚施工区还承担繁忙航运功能时，其可操性受限甚至不可行。这时可以通 过布放气泡帘来阻隔疏浚物的扩散，气泡帘的布放是通过穿孔软管和空气压缩机，向水中 持续释放气泡，气泡上升过程中带动水体流动，到达自由液面时，形成表面流。当气泡帘对 抗环境水流布放时，形成循环单元，能够把疏浚物阻隔在气泡帘的上游，起到围控和减缓疏 浚物扩散的作用。气泡帘相对于土工布的优势是可允许船只自由通行，且布放简单。 然而气泡帘对疏浚物围控的试验研究相对较少。Cutroneo等在疏浚作业中，通过4 天的现场试验，在不同的天气和海况下，测试双气泡帘对疏浚物替代物红色荧光染料的围 控效果，结果表明当第一层气泡帘对染料失效时，第二层帷幕会阻挡住大部分的染料，此次 试验的不足是荧光染料与实际疏浚物的运动特性并不相同。吴贵江等人采用水槽试验，研 究了气泡帘对悬浮颗粒物、有机质及营养元素等污染物的扩散控制效果。水槽40cm水深，底 部投入10cm厚的污水沟底泥并连续搅拌来模拟疏浚对底泥的扰动，试验结果表明，气泡帘 可以有效控制悬浮颗粒物，溶解氧的增加削减了有机质，营养元素虽然没有削减但气泡帘 可以降低扩散速率，此次试验的不足是实际情况下，往往有环境水流对气泡帘的扰动，会影 响到气泡帘的围控效果。 仅有的几次试验有一些不足，也不能够用来总结出疏浚物的运动特性以及气泡帘 的围控及失效机制。数值方法可以提供实验室试验或现场试验欠缺的数据。通过验证的数 值模型可以用来开展大量的数值试验来研究气泡帘围控疏浚物的效果和失效机制。然而气 泡帘围控疏浚物的数值模拟方法几乎未见于文献中。因此，亟需发明一种气泡帘围控疏浚 物的数值模拟方法，以解决上述技术问题。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种气泡帘围控疏浚物的数值模拟方 法，能够用来研究疏浚物在气泡帘和环境水流共同作用下的运动特性，为分析气泡帘的围 控效果及失效机制奠定重要理论基础。 为达到上述目的，本发明提供了一种气泡帘围控疏浚物的数值模拟方法，包括以 下步骤： 3 CN 111581689 A 说　明　书 2/5 页 步骤S1，构建两个连续相大气和水的VOF模型，并构建两个分散相气泡和疏浚物的 DPM模型； 步骤S2，对所述VOF模型和所述DPM模型进行耦合，以获取大气、水、气泡和疏浚物 的耦合CFD模型； 步骤S3，建立疏浚工程实例的三维模型，对其网格划分，设置气泡帘和疏浚物的源 头，设置边界条件和初始条件，基于压力的分离式求解器，采用PISO算法求解步骤S2获取的 耦合CFD模型，以获取在气泡帘和环境水流共同作用下的疏浚物分布数据； 步骤S4，将步骤S3获取的疏浚物分布数据与物理试验进行对比验证，并进一步开 展数值试验，评估气泡帘对疏浚物的围控效果和失效情况。 在上述方案基础上优选，所述步骤S1中：在欧拉坐标系下，采用VOF模型求解大气 和水的体积分率连续性方程和动量方程，并追踪其界面，采用k-epsilon湍流方程闭合；在 拉格朗日坐标系下，采用DPM模型分别求解气泡和疏浚物的力平衡方程和运动方程，且求解 过程中气泡和疏浚物之间的相互作用力忽略不计。 在上述方案基础上优选，所述步骤S2中：所述VOF模型与所述DPM模型通过耦合共 同求解，VOF模型所得的雷诺时均流速和湍流参数导入到DPM模型中，DPM模型中气泡和疏浚 物所受到的拖曳力和附加质量力以源项形式反馈到VOF模型的动量方程中。 在上述方案基础上优选，所述步骤S3的实现过程为： (1)网格划分时在大气、水的分界面和气泡帘区域进行细化，并对网格进行敏感性 测试； (2)分别设置气泡帘和疏浚物的源头，包括质量流量、喷入时间步长、持续时间、位 置、初始速度和粒径； (3)所述边界条件为：在环境水流作用下的气泡帘采取速度入口边界，出口采取自 由流出边界，其余为固定壁面； (4)所述初始条件为：设置大气和水的初始分布、初始压力、初始速度和初速湍流 参数； (5)大气和水的界面追踪采用几何重构方案； (6)设置计算时间步长，并对计算时间步长进行敏感性测试。 在上述方案基础上优选，所述步骤S4中包括： (1)通过不同粒径和不同密度疏浚物的数值试验，总结出气泡帘对不同疏浚物的 围控效果和失效情况； (2)通过逐步增加环境水流的数值试验，得到导致气泡帘失效的临界环境水流； (3)通过不同水深、不同气量、不同配置的气泡帘围控疏浚物的数值试验，综合评 估气泡帘的性能和能耗，且所述不同配置包含线源或面源,单帘或双帘。 与现有技术相比较，本发明一种气泡帘围控疏浚物的数值模拟方法，其优势在于： (1)在考虑了气泡、疏浚物和水的双向耦合，还考虑了大气和水的自由界面追踪的 基础上，构建了求解大气、水、气泡和疏浚物四相瞬态动力学系统的耦合CFD模型，并通过了 试验验证，模型结果可靠； (2)利用本发明的数值方法可以提供实验室试验或现场试验欠缺的数据，发现疏 浚物在气泡帘和环境水流共同作用下的运动规律； 4 CN 111581689 A 说　明　书 3/5 页 (3)相对于物理试验，数值试验重复成本较低，因此可利用本发明的方法开展大量 的多情景下的数值试验，评估气泡帘对疏浚物的围控效果和失效情况。 附图说明 图1为本发明的一种气泡帘围控疏浚物的数值模拟方法的流程图； 图2为本发明实施例在0.1m/s环境水流时的网格划分示意图； 图3为本发明实施例在0.2m/s环境水流时的网格划分示意图； 图4为本发明实施例在0.3m/s环境水流时的网格划分示意图； 图5为本发明实施例在0.1m/s环境水流下，气泡帘流场的矢量图和速度大小云图； 图6为本发明实施例在0.2m/s环境水流下，气泡帘流场的矢量图和速度大小云图； 图7为本发明实施例在0.3m/s环境水流下，气泡帘流场的矢量图和速度大小云图； 图8为本发明实施例中疏浚物分布的数值模拟结果与试验观测的对比验证。