吸盤式挖泥船高壓沖水系統噴嘴形式研究

王初龍，馮 峰，周濤濤，袁 威

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱150001;2.中國艦船研究設計中心，武漢430064)

吸盤式挖泥船的吸盤一般都帶有由入流管道、水箱和噴嘴組成的高壓沖水系統。在施工過程中利用該噴射系統的水流對待挖泥土進行沖刷和疏松，為接下來吸盤的挖掘進行預處理來提高施工效率。因此，高壓沖水系統噴射出水流的流量、流速、能耗及射流的一致性是決定系統性能優劣的主要指標［1］。

吸盤頭的噴嘴結構形式對噴嘴噴射功能有直接的關系，在沖水入口壓力一定的情況下，噴嘴噴射出的動能越大，其噴射能力就越強。就是說，吸盤處噴嘴的分布和噴射能力將直接關系到該挖泥船的工作效率和施工能力。因此，對吸盤式挖泥船吸盤頭噴嘴的噴射角度和噴嘴的結構型式以及噴嘴材料的研究具有較大的理論價值和實用價值，研究成果必將產生重大的社會經濟效益。

本文研究吸盤水箱的入流形式、內部的流場和噴嘴的射流對高壓沖水效率的影響。模擬中采用固定的流量和出口面積，通過調整水箱的入流形式和噴嘴的類型來觀察壓降和射流一致性的變化。從而優化吸盤的噴射功能。

1 模型建立與網格劃分

根據某自航耙吸挖泥船艏部吸盤的原型尺寸按照1∶1的比例建立三維模型。吸盤上下兩排噴嘴的水流有不同的來源，入流形式也不一樣。上面一排是從中間入流(直入流)，吸口下面一排是從旁邊入流(側入流)。上下兩排的噴嘴上下對應，并且都是11個。噴嘴出口直徑均為20 mm。

先在Pro/E軟件中建立吸盤的三維模型，然后將Pro/E模型導入GAMBIT并建立計算域。吸盤的三維模型見圖1。

圖1 吸盤三維模型

在GAMBIT中網格定義有三種，分別是結構網格、非結構網格和混合結構網格。非結構網格適合于復雜區域的網格劃分，特別是對奇性點的處理比較簡單，其隨機的數據結構更易于作網格自適應，以便更好地捕獲流場的各種物理特性，并且在其生成的過程中不需要求解任何方程［2］。本文采用非結構網格進行網格劃分。

在GAMBIT中，先劃分模型面網格，在面網格的基礎上生成體網格。體網格分成吸盤區和外域兩部分。

2 數值模擬

在實際物理模型實驗中，可以通過測量水箱入口及出口的壓差來計算該系統的能耗，也可以觀察水流的噴射情況，但是了解不到水箱內部的流動狀態，而且在優化設計方面也存在一定的盲目性。而計算流體動力學方法(CFD)基于對Navier-Stokes方程的離散化，可對內部流場進行數值模擬，獲得流場內各點上的流速、壓力等基本物理量的分布。通過CFD計算，可以方便快捷地研究復雜邊界條件和幾何形狀的計算域，并給出詳細和完整的資料，結合應用CAD，可以進行結構優化設計。因此，利用CFD作為工具對吸盤高壓噴水系統進行研究是很合適的［3-4］。本文采用FLUENT軟件進行流場數值模擬計算。

為了簡化計算，不考慮管路損失，流量取本船高壓水泵的額定流量700 m3/h，對應的上沖水系統入流斷面平均流速2.43 m/s，下沖水系統入流斷面平均流速為7.926 m/s。

根據模型大小，確定GAMBIT中網格尺寸在噴嘴及其附近為4 mm，其余位置為25 mm，此網格大小基本上可以保證計算中要求的精度。由于在水箱內部存在渦流，故采用湍流數學模型中常用的RNGκ-ε模型。該模型是應用重整化群理論，在標準κ-ε模型基礎上的改進形式。其基本思想是把湍流看成受隨機力驅動的輸運方程，然后通過頻譜分析去掉小尺度渦，并將其影響歸并到渦粘性中，得到所需尺度上的輸運方程。RNG κ-ε模型改進了紊流粘度的計算，考慮了渦流的影響，從而提高了模型對有漩渦流場計算的準確性。本模型中，采用速度入流邊界(velocity inlet)和出流(outflow)邊界條件，壁面則采用標準壁面函數處理。

3 水箱內部基本流場分析

選取直入流水箱和直管噴嘴進行流場分析。水箱內部流線見圖2。

圖2 直入流型水箱內部流線示意

從圖2可見，由于水流進入水箱后過流斷面突然擴大，同時受到慣性力的作用和水箱側壁的限制，沿著水箱后面的邊壁及底部朝各個靜壓較低的噴嘴入流形成扇形擴散。而在噴嘴附近，由于過流斷面急劇縮小，動壓突然增大，靜壓減小，水流從各個方向吸入相對負壓的噴口，此時壓能轉化為動能;顯然，只有一部分水流能順利導入噴嘴，剩下的在水箱內形成回流和漩渦，分布在扇形區域外。可以看出，除扇形區域外，水箱內流場紊亂，損失較多的能量。

直入流型水箱內部流場的計算結果見圖3。

圖3 直入流型水箱內部流場示意

計算結果表明，在扇形分散區內流速較大，流場平穩有序，基本上可以保持入流管道中的流速，這說明過流斷面突然擴大并沒有對入流動量造成很大影響;扇形區外則基本上為回流，流速相對較小，方向雜亂，渦流較多。

在吸盤的高壓沖水系統中，主要的能耗有管路的沿程損失、水流進入水箱時因過流斷面突然擴大導致的局部水頭損失、水箱內部的紊動造成的水頭損失、噴嘴入流附近因過流斷面突然縮小而導致的局部水頭損失以及噴嘴內的沿程損失等。由于噴水系統的出流面積遠小于進流面積，進口壓力主要是靜壓(約占總壓的99%)，而噴嘴出口處靜壓可認為相對大氣壓為零，可認為全部是動壓。根據水動力學分析，該系統主要能耗是局部水頭損失和水箱內部紊動造成的損失。

4 不同入流形式的比較分析

吸盤上下噴水系統采用不同的入流形式，兩種入流形式的水箱采用直管噴嘴時的流場和噴嘴一致性計算結果見圖2～5。

圖4 側入流型水箱內部流線示意

圖5 側入流型水箱內部流場示意

與側入流的情況相比，直入流的流場紊動比較小。分析認為，其原因在于直入流形成扇形分流區，所以入流可以更加平均地分布在噴嘴前面，使水流可以更平順地進入噴嘴。同時，由于水箱入流方向和噴嘴軸線不在一個平面內，必然也會造成能量損失和降低噴射一致性。通過減小兩者的夾角，應該也可以提高沖水效率。

與直入流情況相比，側入流水箱內部水流的轉角比較小，射流的一致性較好，各噴嘴的速度都差不多。但水箱內的大部分流場紊亂，特別是在剛進入水箱的那部分特別紊亂，從而形成的渦流比較多，能耗高。且離入流最近的噴嘴受壁面和距離的影響，射流的主要來源是渦流，出口流速要小于其它幾個噴嘴，在射流大小的一致性方面也較差。與直入流情況相比，由于水流撞向最里面的壁面后產生回流，在水箱中部形成渦流場，也會損失一些能量。相比而言，噴射一致性較差必然導致沖刷效率的降低和能耗的增大。

總體來說，側入流的射流一致性較直入流來說要稍好一些，但在流場的穩定性方面要差很多，能耗比較大，直接影響到射流的平均速度。因此，在條件允許的情況下還是應該盡可能地使用直入流形式。

5 不同類型噴嘴的比較分析

5.1 噴嘴噴射能力分析

研究發現［5］，射流沖擊力和射流動能對噴嘴噴射效率和能力起著關鍵作用。射流沖擊力是單位時間內射流沖向沖刷面的流體動能，其射流動能為

式中:r、Q、v——泥漿的密度、流量和速度;

b——泥漿運動的動能修正系數。

可見，在射流泵流量不變的情況下，射流沖擊力和射流動能主要取決于射流速度v。因此，提高射流速度v是提高噴嘴噴射效率和能力的主要途徑之一。其次，另一個衡量噴嘴沖擊力的重要參數是噴嘴的噴距，噴距越大，則沖擊力越強。液流從噴嘴噴出時形成近似剛體的液柱，高速前行。在液柱自身粘性力和表面張力等內力和環境水壓力作用下，保持一定距離的柱狀不破裂。前行中，在強烈的擾動下產生不穩定運動的慣性力以及周圍環境水的作用，加之由于不斷卷吸周圍的環境水而不斷向橫向擴散，平均流速將逐漸降低。根據伯努利方程，流速減小，壓強就會不斷增大，當液柱壓力大于或等于周圍環境水壓力時，液柱最終會破裂。因此，噴距與其射流速度有直接的關系。射流速度大，則噴距相應就大。另外，由流體力學的紊流能量和紊流動能方程可知，噴嘴射流的壓力梯度和速度梯度大，則射流的紊流能量和紊流動量就高，其值與噴嘴的結構有關。等直徑圓噴嘴具有較小的壓力梯度和速度梯度，而錐形結構噴嘴，這個值卻很大，可使噴嘴的射流水功率更大，效率更高。

5.2 三種類型噴嘴的比較

從已有的研究成果來看，噴嘴射流的一致性對泥沙的沖刷效果影響比較大。其一致性又主要可以分為兩個方面，一方面是流速的方向一致性，即射流的發散程度;另一方面是流速的大小一致性，即在出口斷面各點流速大小的均勻程度。通常認為，大小和方向一致性都比較好的射流，在同等條件下對泥沙的沖刷效果要好。本文采用三種不同類型的噴嘴分別進行速度大小和方向一致性的研究。三種噴嘴尺寸見圖6。

圖6 不同類型噴嘴尺寸

以直入流形式為例分別采用三種不同類型噴嘴進行流場計算來分析射流的穩定性。圖7表示的是出口斷面各點射流方向。而圖8顯示的是出口斷面個點的速度分布圖。從兩圖中可以看出，直管噴嘴盡管射流的方向一致性比較好，但是出口流速在斷面上分布非常不均，參差不齊，中心流速明顯高于平均速度很多，并且靠近兩側的噴嘴射流流速要小于中間噴嘴的射流流速;恰恰相反，錐形噴嘴的出口流速在斷面上分布比較均勻，但是方向非常散亂，出口各點流速方向相互交叉;而錐直噴嘴的出口射流流速無論在大小上還是在方向上，都分布極為均勻集中。通過流速方向和大小一致性的比較，所以認為，錐直形噴嘴在三種噴嘴類型中噴射效率最高。

圖7 直入流型水箱出口斷面流速

圖8 直入流型水箱噴嘴出口速度分布

不同類型噴嘴的速度見表1。

計算結果表明，水箱入流條件相同時，采用錐直管噴嘴的平均速度最大，其次為錐形管，所以認為在水箱中錐直管噴嘴的能耗是最低的。并且考慮到出口射流的一致性，綜合評價認為，錐直噴嘴應為最佳。

表1 噴嘴出口流速表 m/s

經過分析認為，在水由水箱進入噴嘴時，過流斷面突然縮小，在這種情況下由于壓力梯度大，流場不穩定，在采用錐直管噴嘴時，其錐形部分可以對來流起到過渡作用，使水流較平順地進入噴嘴，可大量減少回流和能量損耗。另一方面，進入噴嘴的水流大部分來自扇形分散流，其它來自周邊回流，噴嘴進流條件較復雜。入流方向散亂，且流速大小不一，所以又需要借助直管段的導向作用來約束水流的流動方向，使噴嘴內水流的流動逐漸趨向均勻一致。

6 結論

直入流形式較側入流形式更有利于射流的噴射效果，如果條件允許的話使用雙直入流效果會更好，而錐直形噴嘴則是三種噴嘴中最有效的噴嘴。同時，針對水箱內部流場的特征，分析認為以后設計中應優化水箱形狀，使吸盤高壓沖水系統的能耗進一步降低，射流的一致性也得到優化。本文的成果全部是利用CFD得出的數值模擬計算結果，與文獻等資料的結果比較吻合，希望將來能夠得到物理模型試驗結果或吸盤原型測試結果的驗證。

［1］譚宗柒，崔家仲.吸盤式挖泥船噴嘴噴射功能改進研究［J］.三峽大學學報，2003(4):149-152.

［2］王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［3］洪國軍，王 健，林 風.自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗研究［J］.中國港灣建設，2008(4):19-22.

［4］王瑞金，張 凱，王 剛.Fluent技術基礎與應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［5］易 燦，李根生，胡永堂.淹沒條件下錐形噴嘴射流破巖效率實驗研究［J］.石油鉆探技術.2001，29(1):10-12.