射流式挖溝機溝內流場數值計算與分析

王喆，袁慶晴，馬洪新，王磊，魏國濤，劉坤，趙敏

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津600583；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240）

射流式挖溝機溝內流場數值計算與分析

王喆1，袁慶晴2，馬洪新1，王磊1，魏國濤1，劉坤1，趙敏2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津600583；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240）

針對某淺海射流式挖溝機溝內泥漿淤積問題，對其進行工作狀態下的溝內流場數值計算和性能分析。通過合理簡化物理模型和定義數值模型邊界條件，結合多相流模型，利用成熟的商業數值計算軟件實現流場計算過程。通過觀察泥漿相的體積分數預估了溝內回淤情況，觀察壁面剪應力和特征截面壓應力評判了射流破土能力，得到合理的溝內流場性能。并根據不同的抽吸臂參數引起的溝內流場變化，選擇出合適的抽吸臂布置方案。研究結果表明：提出的數值方法能用于快速計算挖溝機流場性能，合理估算泥漿相的輸運狀況，得到高效率的抽吸臂、噴沖臂布置組合。

射流式挖溝機；數值計算；多相流；流場性能；抽吸臂組合；泥漿相；破土能力

海洋油氣工業為輸運油氣，需在海底鋪設管道。若管道直接平鋪或埋深不夠會因第三方破壞而出現變形、斷裂和泄漏事故。挖溝是海底管道保護和滿足管道穩性要求的主要手段。管道一般需要埋在海底1～ 3 m深度。目前海底挖溝機的種類按挖溝方式分為：噴沖式、鏈輪式、犁式［1］。后兩者為機械挖溝。噴沖式海底挖溝，以從噴嘴噴出的高壓水射流對海底進行噴沖，實現基礎開挖和埋管，用于管道鋪設和維修階段的開挖作業，且對土壤適用性也強［1］。但噴射泛起的泥漿若直接由周圍海水攜帶走，則有在溝內形成淤積的隱患。為此海洋石油工程股份有限公司和上海交通大學水下研究所設計了配置抽吸設備的射流式挖溝機，進行海底埋管作業。

為在不同的噴射-抽吸系統方案中快速選擇更有效的組合，可采用數值方法對開挖的溝內流場進行計算，預估溝內回淤情況，評判射流破土能力。

關于泥沙問題的數值模擬，目前多采用多相流法［2?3］和動網格法［4?6］。前者建立包含泥漿相的計算域，觀察泥漿相在水流作用下運動，可直觀反映床面變化，并根據多相流模型，可考慮泥漿相-水相的交互作用。后者結合泥沙輸運方程，利用動網格描述床面變形，得到床面形態［7?8］。但上述方法的計算對象一般為簡單的二維模型。而本文的研究對象復雜，若采用動網格法來描述，則經濟性不佳，故選擇多相流方法。且通過簡化合理定義泥漿相邊界條件，來描述泥漿相的運動。本文通過用戶自定義函數對噴沖臂上的角度各異、小直徑噴嘴建模，實現了噴沖臂上組合噴嘴的射流過程。計算結果表明，采用此簡化方法能快速合理描述溝內流場性能。

1 挖溝機的幾何和數值模型

1.1 幾何模型

射流式挖溝機用于海底管線挖溝作業，適用于50 m淺海域作業，設計開挖溝深為3.5 m，作業效率為60～300 m／h。選取60 m／h工作狀態進行計算。

挖溝機的水下本體由：主體框架、上層浮體、噴沖泵、噴沖臂、射流抽吸泵、抽吸臂、對中機構、耐壓電控艙和動力接線艙等部分組成，見圖1。

圖1 挖溝機水下主體Fig.1 Main body of the jetting trencher

主要研究對象為位于溝內的噴沖臂和抽吸臂，各元件的參數說明如下。

1.1.1 噴沖臂及噴嘴

噴沖臂長約4 m，位于溝內的長度約為3.6 m，與海底平面夾角為75°。單個噴沖臂配置前方兩列噴嘴、內側一列噴嘴及位于底部的一個后方噴嘴。

前方噴嘴均布于噴沖臂前方，單個噴沖臂3.25 m深范圍內布置21個噴嘴，交錯排布，噴嘴斜向下，與噴沖臂中縱垂向剖面夾角15°，與噴沖臂中縱水平剖面夾角50°，與鉛垂線夾角20°。采用的噴嘴規格見表1。

表1 前方噴嘴參數（單個噴沖臂）Table1 The parameters of front nozzles（single jet arm）

內側噴嘴是主要的破土元件，在噴沖臂內側由上向下布置，相應參數見表2。內側噴嘴可以有效覆蓋內側破土范圍。

后向噴嘴布置于噴沖臂的底部，方向向后，該噴嘴主要作用是搬運泥漿，直徑為10 mm。

表2 內側噴嘴參數（單個噴沖臂）Table2 The parameters of inside nozzles（single jet arm）

1.1.2 抽吸臂

在距噴射臂軸線后方5.12 m處沿縱向布置2個軸線間隔為1.57 m的抽吸臂。抽吸臂與海底平面也存在75°夾角。抽吸口直徑250 mm，速度2.8 m／s。2個抽吸臂的長度分別為3.73 m和3.42 m。本文主要對抽吸臂的2種不同相對位置進行計算，得到抽吸效率高、溝內泥漿殘留少的方案。

1.2 數值計算模型

主要關注于挖溝機的溝內流場性能，而挖溝機的上部結構為框架式，對溝內流場的影響較小，故數值建模時忽略挖溝機上部結構。主要對挖溝機工作態進行數值模擬，即勻速挖溝狀態。

1.2.1 噴沖臂及噴嘴設置

噴沖臂上除了噴嘴位置，其余設為壁面條件。由于該射流挖溝機的噴嘴較多，逐一精細建模很費時。與整個噴沖-抽吸系統相比，單個小尺寸噴嘴對流場的影響為局部效應，故可不對其外形建模，而是利用用戶自定義函數定義噴沖臂上噴嘴位置及尺寸，并設置各噴嘴的速度值與流向。在設計噴沖臂噴嘴組合時，該方法能迅速對不同噴嘴參數進行調整得到不同的組合射流效果，便于方案比較。

1.2.2 抽吸臂設置

抽吸口處設置為具有負速度的速度入口，以表示抽吸速度。抽吸臂其余邊界設置為壁面條件。

1.2.3 計算域邊界條件

由于模型和運動的對稱性，計算流域邊界由海水與泥漿的速度入口、壓力出口、壁面、對稱面組成。流域后方邊界距開溝機后方距離為2L，上方和側向為1.5L（L為開溝機特征長度）。溝內前方的倒梯形橫截面認為是泥漿相的速度進口。速度入口和壓力出口的湍流強度和湍流粘度比分別設為2%和2。壁面條件為無滑移邊界條件。

用于數值計算的計算流域如圖2所示。

圖2 數值計算的計算域Fig.2 Computational domain of numerical calculation

2 數值方法

2.1 控制方程

多相流模型主要有VOF模型、歐拉模型和混合物模型。其中混合物模型是一種簡化的多相流模型，在流動規律未知時，可作為初步判斷的計算。故選擇混合物模型進行挖溝機流場的快速預報。

對于三維不可壓縮粘性多相流，此時混合物連續性方程表示為

動量方程：

式中：ρm為混合物密度，um，i為質量平均速度，μm為混合物的動力粘性系數，Fi為外力項，udr，k為次要相相對于混合物的速度。

2.2 湍流模型

本文采用SSTk?ω模型進行計算分析，其數學表達可參見文獻［9］，適用特性為：使用混合函數將標準k?ε模型與k?ω模型結合，模擬近壁和遠場區域的流動性能比較合理，也能較好模擬逆壓梯度流、翼型和跨音速激波等流動。

2.3 方程離散及迭代方式

數值計算軟件采用有限體積法對微分方程進行離散。壓力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法求解。壓力項采用標準離散格式，動量、湍流粘度、湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風格式離散。

3 計算結果與分析

數值模擬在一臺運行64位Win7系統、內存16 GB的小型工作站進行，計算達到穩定約30 h。

3.1 抽吸臂方案選擇

抽吸臂相對位置存在2種布置：方案a為前高后低，方案b為前低后高。根據溝內流場和泥漿相分布情況進行篩選。圖3為溝內對稱面處的泥漿相分布情況，圖4為后方噴嘴的跡線圖。

圖3可看出后方噴嘴和側向噴嘴對泥漿的輸運起主要作用。方案a中泥漿相在溝內分布范圍廣，經兩個抽吸口后仍有大部分泥漿懸浮在溝內，方案b中泥漿相經抽吸口后，殘留在溝內的量少且分布集中。說明抽吸臂的存在對泥漿相、水流混合物的引流作用明顯，且不同的抽吸臂形式對溝內泥漿輸運情況產生不同影響：相比于方案b，方案a中的前方抽吸臂距離溝底0.69 m，沒能將大部分混合流引向抽吸作用范圍，抽吸效率較低，且混合流的影響范圍擴大，大部分泥漿相還處于懸浮狀態。方案b中的抽吸臂距離溝底0.39 m，而抽吸口的抽吸影響范圍約為直徑0.37 m的球狀區域，能匯聚引導前方混合流，提高了溝底混合流抽吸效率。

泥漿相重于水，經過噴沖臂后混合流主要集中在溝的下方。故可進一步查看后方噴嘴的跡線圖來分析溝底泥漿相的流向。圖4中跡線著色方案為速度值?？梢钥闯鰪暮蠓絿娮靽娚涑龅乃髯呦蛴泻苊黠@區別：方案a中跡線經過前后抽吸口后，主要受后面較低的抽吸口影響，跡線上揚，即溝內攜沙水流被揚起，經過一段時間沉降，會在后方溝內形成較多淤積；方案b中跡線在經過前方較低抽吸口時就被完全抽吸，即大部分攜沙水流能被抽吸走，后方抽吸臂起輔助作用。再次驗證方案b的前方抽吸臂的距離是合適的。

綜上所述，選擇方案b更為合理。

圖3 溝內對稱面的泥漿相體積分數Fig.3 The volume fraction of mud phase in the sym?metry plane

圖4 后方噴嘴跡線圖Fig.4 The pathline of back nozzle

3.2 破土能力預報

根據3.1節結論，針對方案b進行破土能力預報。

噴沖臂上的前方噴嘴主要對前方溝壁進行破土，原理主要為剪切破土［10］；側向噴嘴主要用于破壞位于噴沖臂間殘留的土體，主要為壓力破土。故在單相流流場中分析前方壁面的切應力，在多相流流場中分析對稱面的壓強分布，見圖5、6。

根據文獻［10］的結論，滿足切應力大于抗剪強度千分之四范圍的土體均能被剪切破壞，觀察圖5即在約1.5倍噴沖臂直徑范圍內土體能被破壞。中間土體將在側向噴嘴的壓力作用下（圖6）被打散隨水流流向后下方。所以噴沖系統能有效破土。

3.3 工程驗證

本文所述的射流挖溝機分別于2013年7月和8月在“錦州251工程”和“墾利工程”中進行了綜合性能測試。測試結果表明：挖溝機本體功能正常，泥漿沉降穩定后，溝內深度達2.5 m以上（聲吶測得的挖溝溝形圖見圖7），挖溝速度滿足要求，在墾利工程中，對于較硬土質，平均挖溝速度可達105 m／h；行船為勻速絞錨時，挖溝機前進速度均勻，挖溝工作狀態良好，噴沖系統破土效果好；抽吸系統功能正常，抽吸干凈。

本文的數值計算主要通過合理簡化得到快速分析判斷溝內流場、泥沙輸運的方法。工程應用中的土體復雜，土質較硬，部分線路的開挖深度未能達到設計值。盡管如此，根據本文數值方法改善得到的噴沖臂、抽吸臂組合形式，提高了混合流的抽吸效率，降低了溝內的回淤量。

圖5 前方壁面切應力（單相流）Fig.5 Shear stress on front wall（single phase）

圖6 對稱面壓強分布（多相流）Fig.6 Stress of the symmetry plane（multiphase）

圖7 聲吶測得的挖溝溝形圖（墾利工程）Fig.7 Trenching shape of Kenli project by sonar

4 結束語

本文通過簡化泥漿相的邊界條件、噴沖臂上噴嘴射流UDF建模，初步對某挖溝機的溝內流場進行了多相流計算與分析。根據泥漿相的分布圖及后方噴嘴跡線圖得到合適的抽吸臂布置方案。同時根據特征截面的應力分布，對挖溝機的破土能力進行了預報。且通過工程應用，驗證了所提出計算方法的快速性、有效性，證明可以用該方法進行挖溝機溝內流場性能的快速計算與分析，對于深入展開挖溝機設計起到了指導作用，可用于進行系列方案篩選。

在后續研究中，為了對溝內多相流流場進行更為精確的分析，得到沖刷溝形態，可適當引入泥漿相流域或采用動網格方法描述問題。并且，可分析不同土質帶來的影響。

［1］吳強.用于噴射式挖溝機的噴嘴結構及噴嘴組合的研究［D］.北京：中國石油大學，2011：1?4.WU Qiang.Study on nozzle configuration and nozzle combi?nation used on jet trencher［D］.Beijing：China University of Petroleum，2011：1?4.

［2］單丹丹.海底管道自埋機理數值模擬研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011：30?58.SHAN Dandan.Numerical simulation of submarine pipeline self?buried mechanism［D］.Harbin：Harbin Engineering U?niversity，2011：30?58.

［3］孟然.海底管道后挖溝技術實驗研究及數值模擬［D］.天津：天津大學，2011：32?61.MENG Ran.Experimental study and numerical simulation on post trenching of submarine pipeline［D］.Tianjin：Tianjin U? niversity，2011：32?61.

［4］LIANG Dongfang，LIANG Cheng，YEOW K.Numerical study of the Reynolds?number dependence of two?dimen?sional scour beneath offshore pipeline in steady currents［J］.Ocean Engineering，2005（32）：1590?1607.

［5］BRORS B.Numerical modeling of flow and scour at pipelines［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999.125：511?523.

［6］張芝永，拾兵.泥沙局部沖淤二維數值模擬仿真［J］.哈爾濱工程大學學報，2013，34（2）：145?150.ZHANG Zhiyong，SHI Bing.Two?dimensional numerical simulation on local mud＆sand erosion and deposition［J］.Journal of Harbin Engineering University，2013，34（2）：145?150.

［7］槐文信，王增武，錢忠東，等.二維垂向射流沙質河床沖刷的數值模擬［J］.中國科學：技術科學，2012，42（1）：72?81.HUAI Wenxin，WANG Zengwu，QIAN Zhongdong，et al.Numerical simulation of sandy bed erosion by 2D vertical jet［J］.Sci China Tech Sci，2012，42（1）：72?81.

［8］MERCIER F，BONELLI S，ANSELMET F，et al.On the numerical modelling of the jet erosion test［C］／／ICSE6.Paris，2012：601?608.

［9］ANSYS，Inc.ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide［Z］.Can?onsburg：ANSYS，Inc，2009：558?560.

［10］WILLIAM K J，ASCE M，KEVIN R H.Cohesive material erosion by unidirectional current［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1983，109（1）：49?61.

Numerical calculation and analysis of the flow field caused by a jetting trencher

WANG Zhe1，YUAN Qingqing2，MA Hongxin1，WANG Lei1，WEI Guotao1，LIU Kun1，ZHAO Min2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 600583，China；2.School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The numerical calculation and performance analysis were carried out on the flow field caused by a jetting trencher in the normal working condition in consideration of the sedimentation in the trench.By reasonably simplify?ing physical model，defining boundary condition of the numerical model，and in combination with the multiphase flow method，the commercial numerical software was used to calculate the flow field.The sedimentation was predic?ted by observing the volume fraction of mud phase.The ability of breaking soil caused by jetting was evaluated by shear stress on the wall and stress on the specific plane，and then proper flow field performance were obtained.Comparing the diverse flow field performance in the trench caused by different parameters of suction arms，a suit?able suction arms combination scheme was designed.The results showed that the numerical calculation scheme can rapidly simulate and analyze the flow field performance of this kind of jetting trenchers，and rationally evaluate the transportation of soil phase in the trench.The combination of suction arms and jetting arms with high efficiency can also be designed using this method.

jetting trencher；numerical calculation；multiphase flow；flow field performance；suction arms combina?tion；mud phase；ability of breaking soil

10.3969／j.issn.1006?7043.201310076

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1527.014.html

U66

A

1006?7043（2015）03?0292?05

2013?10?28.網絡出版時間：2015?01?09.

海洋工程國家重點實驗室自主研究課題資助項目（GKZD010059?14）.

王喆（1963?），男，高級經濟師；趙敏（1981?），男，助理研究員，博士研究生.

趙敏，E?mail：min.zhao＠sjtu.edu.cn.