噴射式海底挖溝機的參數優化和數值模擬研究

董玉飛，張凱，劉洋

東北石油大學，黑龍江大慶163318

噴射式海底挖溝機的參數優化和數值模擬研究

董玉飛，張凱，劉洋

東北石油大學，黑龍江大慶163318

針對噴射式海底挖溝機效率低的問題，建立了適用于淺海區域噴射式海底挖溝機的物理模型，基于噴射式海底挖溝機特性方程，使用Fluent數值模擬軟件對模型進行了數值模擬。分析了噴嘴收縮角度、排泥管擴散角度、挖溝機運行深度及射流入口速度等因素對噴射式海底挖溝機效率的影響，明確了這些因素與挖溝機運行參數（吸泥速度、負壓）之間的關系。研究結果表明：噴射式海底挖溝機最大運行效率時的噴嘴收縮角度為45°，排泥管擴散角度是7°；噴射式海底挖溝機最大安全運行深度為100 m且此工況下的最小入口射流速度為8 m/s。

噴射式海底挖溝機；收縮角；擴散角；Fluent

海底挖溝機是埋設海底管道的重要設備之一。目前世界上有多家公司從事挖溝機設備的設計制造或海底油氣管道的埋設，比較有代表性的如美國的PSSL及法國的ALCATEL，其中PSSL被認為是挖溝技術的領導者[1]。從1940年開始，一些發達國家研發出適用于海底開溝裝備領域的水力噴射式、機械式海底開溝機，海底管道犁等不同形式的設備[2]。1946年SammyCollins首創高壓水沖射滑橇（后開溝型），并用于墨西哥灣海底管道開溝作業。近期SMD Hydrovision公司交付EMC的DJsl型水力沖射開溝機的最大管徑為1 524 mm，最大作業深度可達300 m[3-5]。海底噴射式挖溝機在工作時，牽引船牽引著挖溝機。挖溝機通過噴嘴內高速工作流體的噴出，噴射室內形成負壓，將泥漿吸上來，形成深溝，管道靠自身重力落入溝內，挖溝機再將土回填[6-7]。隨著我國海上油田尤其是淺海區域油田的開發，對海底噴射式挖溝機的使用性能和效率的要求不斷提高。

目前我國的海底噴射式挖溝機的技術水平和發達國家相比還存在一定差距和問題[8-11]，比如噴嘴結構參數、擴散角度參數等的設置不合理導致運行效率低。本文對海底挖溝機進行了模型建立和數值模擬，分析了開溝機沖射的工作深度、噴嘴角度和擴散角度等工作參數對海底挖溝機工作效率的影響，并給出了挖溝機取最大工作效率時這些參數的最優解，對現場的應用具有一定的指導意義。

1 物理模型的建立

噴射式海底挖溝機的結構組成和物理模型，如圖1所示。

噴射式海底挖溝機結構尺寸見表1。

圖1 噴射式海底挖溝機物理模型

表1 噴射泵的幾何-結構尺寸

2 海底噴射式挖溝機數值模擬

應用Fluent軟件對物理模型進行數值模擬。

2.1 噴射式海底挖溝機特性方程

2.1.1 質量守恒方程

對噴射泵進行簡化分析后得：

式中：QC為混合流體的流量，kg/s；QP為工作流體的流量，kg/s；QH為從吸泥口吸入流體的流量，kg/s；μ為流量比。

2.1.2 動量守恒方程

對喉管入口截面和出口截面應用動量守恒方程：

式中：φ2為混合室的速度系數；uP為喉管入口截面工作流體的速度，m/s；u2、u3為喉管入口、出口截面吸入流體的速度，m/s；P3為混合流體在喉管出口截面上的靜壓力，Pa；P2為吸入流體在喉管入口截面上的靜壓力，Pa；f2、f3為喉管進、出口截面積，m2。

2.2 模型網格劃分

使用Gambit對模型進行網格劃分，見圖2。

圖2 噴射泵挖溝機模型網格劃分

2.3 邊界條件設置

設定入口為壓力入口，且噴嘴入口的速度分布為均勻分布，系數k=1.5（uavgI）2，其中uavg為流體的平均速度，湍流強度I=0.16（ReDH）-1/8；噴嘴的出口面定為壓力出口，利用壁面函數法來確定計算中的壁面條件[12-16]。首先完成上述模型參數的設定，再利用solve-monitors-residual來設置殘差，設其為10-10，然后開始初始化流場，隨即開始進行迭代，計算到收斂為止[17-20]。

3 數值模擬結果與分析

3.1 噴嘴收縮角度對運行參數的影響

噴嘴收縮角與吸泥速度和吸泥壓力關系曲線見圖3。

圖3 噴嘴收縮角與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線

由圖3可知：吸泥速度與吸泥壓力的絕對值均是隨著噴嘴收縮角度的增大，先上升到峰值后再下降，吸泥壓力變化得比較明顯。當噴嘴收縮角度為45°左右時吸泥速度最大，吸泥壓力的絕對值最大，吸泥效率最高。

3.2 擴散角度對運行參數的影響

不同擴散角度與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線見圖4。

圖4 擴散角度與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線

由圖4可知：吸泥速度與吸泥壓力的值絕對值曲線都是隨著擴散角度的不斷增大，先上升到峰值后下降，當擴散角度在7°左右時，吸泥速度和吸泥壓力絕對值最大，吸泥效率最高。

3.3 挖溝機海底運行深度對運行參數的影響

噴射泵工作水深與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線見圖5。

圖5 工作水深與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線

由圖5可知：隨著噴射泵運行深度的加深，吸泥速度和吸泥壓力的絕對值越來越小。當水深為110 m時，噴射泵不再工作。這是因為噴射泵出口處壓力過高，導致泵在設定的最大速度情況下不能正常工作。確定泵最大工作深度時需采取一定的保險值，所以確定噴射泵最大工作深度為100 m。

3.4 挖溝機射流入口速度對運行參數的影響

噴射泵入口流速與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線見圖6。

由圖6可知：隨著射流入口流體速度逐漸減小，吸泥速度與射流形成的負壓絕對值都呈線性減小，由于現場規定的流量為1 500 m3/h，泵的揚程為70 m，折算后設定入口最大速度為37.9 m/s，依次減小進行模擬，當入口速度為8 m/s時吸泥速度剛好能維持噴射泵正常運轉，如果入口流速再減小則噴射泵吸泥速度過小，效率太低，將難以支撐開溝機正常開溝作業，所以根據模擬，選取的最小入口流速為8 m/s。

圖6 流速與吸泥速度和吸泥壓力的關系曲線

4 結論

（1）分析了噴嘴收縮角對噴射式海底挖溝機的影響，噴嘴收縮角為45°時挖溝機效率最高；分析了擴散角度對噴射式海底挖溝機的影響，擴散角度在7°左右時挖溝機效率最大。

（2）確定了噴射式海底挖溝機的最大運行深度為100m，此時的海底挖溝機正常運行的最小流速為8m/s。

（3）綜合考慮了噴嘴收縮角度、擴散角度、挖溝機運行深度以及挖溝機射流入口流體的速度等因素對噴射式海底挖溝機效率的影響，分析了這些因素與挖溝機運行參數（吸泥速度、負壓）之間的關系。為制造和優化海底挖溝機性能方面提供了理論參考依據。

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Studyon parameters optimization and numericalsimulation ofsubmarine jet trencher

DONG Yufei，ZHANG Kai，LIU Yang
Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China

Aiming at the low efficiency of the submarine jet trencher，a physicalmodelfor the submarine jet trencher working in shallow sea area was established.Based on the characteristic equation for the submarine jet trencher，numericalsimulation was carried out using Fluent software．The influence of the factors such as the nozzle convergent angle，the mud tube divergent angle，the operating depth of the trencher and the inlet jet speed on the efficiency of the submarine jet trencher were analyzed.The relationship between these factors and the operating parameters（mud suction speed，negative pressure）of the trencher was clarified.The results show that the nozzle convergent angle is 45°and the mud tube divergent angle is 7°at the maximum operating efficiency.The maximum safe operating depth is 100 m and the minimum inlet jet flow speed is 8 m/s.

submarine jet trencher；convergent angle；divergent angle；Fluent

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.020

董玉飛（1993-），男，遼寧朝陽人，現就讀于東北石油大學，碩士研究生，現從事流固耦合數值計算與數值模擬研究。

2016-11-18；

2016-12-05

Email：10442654854@qq.com