绞吸式挖泥船由于工作平稳、节能、高效,已成为内河黄金航道和远海人工岛屿建设的主要装备。绞吸式挖泥船的切削系统完成泥砂切削,形成较为均匀的泥浆并与输送系统匹配,实现挖掘与输送系统的高效工作,因而切削系统在吸扬系统中尤为重要。在实际疏浚施工中,由于水下切削过程及泥浆形成机理复杂,有待深入认识。本论文在国家自然科学基金面上项目“绞吸式挖泥船切削系统流场建模与机理研究(No.51679178)”的资助下,以绞吸式挖泥船切削系统为研究对象,采用DPM模型和双流体模型对切削系统液固两相流进行了数值模拟计算,分析了工况参数与吸入效率、泥砂颗粒级配参数变化之间关系,探讨了泥砂颗粒运动机理和泥浆形成过程;利用相似原理,研制了某型绞吸式挖泥船的疏浚模拟综合实验台,进行了多种工况模拟实验,利用高速摄像和图像处理方法研究了切削系统外流场浓度特征,对比分析了模型实验和数值仿真的结果。论文主要研究工作如下:(1)建立了切削系统的分析模型,给出了相应的分析方法。研究了土质工程分类法的两大体系、国内疏浚土质分类标准和土类的主要物理性质,剖析了挖泥船切削系统主要构成及其驱动装置电气特性;采用二维切削理论建立了刀齿三维切削力计算模型,根据切削系统施工时运动特性,建立了刀齿座-切削系统-挖泥船坐标系转换模型、切削系统运动模型、切削力计算模型及切削系统动力学模型;给出了工程湍流模型和液固两相流模拟方法,为后续数值仿真计算、疏浚模拟综合试验台研制、实验方案设计提供理论依据。(2)建立了切削系统液固两相流DPM仿真模型,仿真分析了工况参数与吸入效率、泥砂颗粒级配变化之间的关系,探讨了泥砂颗粒运动机理。在绞吸式挖泥船切削系统液固两相流仿真分析中,液相采用了标准k-ε模型和Realizablek-ε模型,固相颗粒粒径采用R-R分布,多相流采用DPM模型,绞刀旋转运动采用MRF模型,网格划分采用结构化网格,模拟计算了切削系统在不同工况参数下的液固两相流流动特性,分析了液相速度矢量场、压力分布、湍动能分布和固相颗粒运动轨迹,获得了工况参数与吸入效率、泥砂颗粒级配参数变化之间的关系,探讨了泥浆颗粒运动机理。(3)利用双流体模型、动网格和滑移网格技术,仿真分析了切削系统在一个旋转周期内流体动态过程,探讨了液固两相体积分数和泥砂颗粒速度等时变特征。建立了Euler-Euler双流体模型,采用标准k-ε模型,利用动网格和滑移网格技术仿真了切削系统绞刀旋转和横移运动,数值模拟了切削系统液固两相流以及流场动态演变过程,研究了一个旋转周期内液固两相复杂动态流动过程。通过数值计算结果,分析了切削系统在典型工况参数下的绞刀横切面、纵切面、垂面、外轮廓面等内外不同位置两相体积分数变化,以及吸泥口中心线、绞刀大环上部绞刀内外圆周等处液固两相速度变化,探索了泥浆形成过程和泥浆浓度变化趋势。(4)运用相似原理分析了某型挖泥船切削系统实船原型与实验模型,研制了小型疏浚模拟综合试验台。运用相似理论量纲分析法Buckinghamπ定理,推导相应的液固两相流两相流动相似准则,建立了某型绞吸挖泥船切削系统原型和模型的关系,确定了模型和原型的工况参数、液固两相相关参数的相似比例系数。在满足流动相似前提下,参考某型绞吸式挖泥船切削系统的主要技术性能指标,首次研制了具有复杂土质切削测试、切削-输送系统匹配优化、疏浚作业自动控制、数据采集与监控、水下流场观测、高速成像等实验功能的室内小型疏浚模拟综合试验台。(5)进行了多种典型工况参数的疏浚模拟实验,对比分析了实验数据与部分仿真计算结果,验证了理论研究的正确性。在疏浚模拟综合实验平台上,开展了多种工况参数下的疏浚模拟实验,记录了实验数据,高速摄像系统记录了切削系统切削场景,后期进行了数据分析及图像处理。实验数据验证了吸入效率、颗粒级配参数变化与工况参数之间的关系;运用数字图像处理技术分析切削系统液固两相流的泥浆浓度,揭示了正反刀工作模式下的切削系统泥浆溢流区的泥浆浓度分布特征,并量化了正反刀工作模式下切削系统外部液固两相浓度分布。