射流破土挖溝機的噴嘴及噴射參數仿真分析

盧志飛,胡凱,鄭新龍,張磊

射流破土挖溝機的噴嘴及噴射參數仿真分析

盧志飛,胡凱,鄭新龍,張磊

國網浙江省電力有限公司 舟山供電公司, 浙江 舟山 316021

射流破土式挖溝機利用一定壓力、流速的水流沖擊破壞土體，形成埋設海底電纜和管道所需的溝型，并將其埋設在海底底泥中以防止外界的破壞。挖溝機在海底作業時，噴嘴的配置和噴射參數直接影響著的開溝能力和效率。目前國內對射流式挖溝機噴嘴配置和噴射參數的研究還不夠透徹，對這些參數對射流開溝的影響還不夠明確。針對提高射流破土挖溝機的海底作業效率，增強挖溝機的開溝能力，本文通過仿真分析研究了不同因素，如射流流速、噴射靶距、間距和噴嘴的角度對射流開溝的深度和寬度的影響。借助本文的分析，在挖溝機實際作業中，根據需要埋設電纜的尺寸以及需要埋設的深度，設置合適的噴射條件和噴嘴角度，可以有效增強挖溝機的開溝能力，提高挖溝機的作業效率。

挖溝機; 噴射參數; 數值模擬

射流破土式海纜挖溝機，利用一定壓力、流速的水流沖擊破壞土體，形成埋纜所需的溝型，其開溝效果主要與噴嘴結構、射流速度、靶距和角度等因素有關[1,3]。

目前，噴嘴結構對射流沖刷的影響已經有了一定的仿真研究。奉虎等人[4]通過Fluent軟件對挖溝機單噴嘴射流流場進行了數值仿真，分析了噴嘴進口壓力、流量對射流沖擊力衰減變化的影響。王喆等人[5]針對某種淺海射流式挖溝機作業時溝內泥漿流場進行了仿真分析，得到合適的噴沖臂噴嘴布置方案。李振升等人[6]通過室內實驗和FlOW-3D數值仿真兩種方法對不同間距的雙噴嘴射流的幾何相似性進行了研究。然而目前尚未有針對不同射流配置的沖刷流場的研究，同時對雙噴頭在不同噴射角度下形成的沖刷溝內流場的研究也比較缺乏。本文利用Star-CCM+流體仿真軟件，對不同噴射靶距、噴射流速、噴射角度等沖刷工況下，雙噴頭的沖刷溝內流場進行仿真研究，為優化海底挖溝機噴射參數、提高作業效率提供技術支撐和參考依據。

1 數學模型

1.1 連續性方程

1.2 動量方程

2 仿真模型

在建立仿真模型時作如下假設：1.土體為各向同性介質；2.流體為不可壓縮流體；3.忽略海底洋流對射流破土的影響。

2.1 幾何模型

通過Star-CCM+軟件里的3D幾何建模，建立幾何模型，如圖1所示。基本參數為：噴嘴直徑60 mm，噴嘴間距300 mm，噴射角度為90°，噴射靶距為300 mm。

2.2 邊界條件及網格劃分

整個模擬區域為3D幾何區域，計算流域邊界由海水與泥槳的速度入口、壓力出口、壁面、對稱面組成。邊界AB和DC設為對稱平面，BC為底邊，設為壁面，AD設為壓力出口，EH為噴口的速度入口，EFGH為噴口的壁面。由于噴嘴在海水中噴射，射流始終處于淹沒狀態，為了消除結構網格中節點的結構性限制，增加節點和單元分布的可控性，采用Star-CCM+軟件自帶的多面體網格進行網格劃分，網格劃分如圖2所示。

圖 1 幾何模型及邊界條件設置

圖 2 網格劃分

3 仿真結果與分析

本文研究了噴射流速、噴射靶距、噴嘴間距及噴嘴夾角對射流開溝的深度和寬度的影響，研究結果如下所示。

3.1 噴射流速對射流效果影響

圖3為不同噴射流速對開溝效果的影響。不同流速下，射流開溝過程都具有相似性。隨著時間增加，射流開溝的深度先是在3 s的時間內快速增加至某個最大值，然后迅速下降，經些許波動之后最終穩定在一定值。其原因是在短時間內，底泥被迅速射開一個深坑，隨著射流的進行，之前被擾動的泥沙回填入坑內。直到射流與輸送泥沙達到穩定，開溝的深度從而最終穩定下來。圖4為開溝深度、寬度與速度關系的擬合曲線。從圖4可看出，開溝穩定深度變化速率越來越大，而開溝寬度的變化速率越來越小，它們與噴出流速的關系可以擬合成兩條指數曲線，其函數方程如表1所示。

圖 3 不同流速下開溝深度的變化

圖 4 開溝深度、寬度與速度關系擬合

表 1 深度、寬度、速度、靶距關系的擬合情況

3.2 噴射靶距對射流效果影響

圖5所示為5組不同噴射靶距對射流開溝效果的影響。

圖 5 不同射流靶距下開溝深度變化

圖 6 開溝深度、寬度與靶距關系擬合

從圖5中可以明顯看出，從噴嘴到泥沙表面的靶距越大，射流開溝的最大深度以及穩定深度越淺。其原因是射流流體在到達泥沙之前，周圍水體能量損耗隨著靶距增加而增大。同時，開溝寬度也隨著射流靶距的增大而減小。它們與靶距的關系可以擬合成兩個指數函數，函數方程如表1所示。圖6為開溝深度、寬度與靶距關系擬合，隨著靶距不斷增加，開溝的寬度和深度減小的速率逐漸變緩，直至靶距增加到足夠大時，噴射的流體對泥沙的作用趨近于零。

圖 7 不同噴嘴間距下開溝深度

圖 8 不同噴嘴間距下開溝情況

3.3 噴嘴間距對射流效果影響

圖7所示為4組不同間距下射流開溝情況。圖8所示為不同噴嘴間距下對射流開溝效果的影響，從中可以發現，兩個噴嘴的間距越大，其射流開溝的深度越淺（圖8(a)）。其中噴嘴間距0.3 m和0.4 m的兩組噴頭射流開溝的穩定深度幾乎一樣，其原因是間距過大，兩個噴嘴就相當于獨立的單噴嘴射流系統。圖8(b)所示為不同噴嘴間距下開溝寬度隨時間的變化曲線，擬合曲線函數方程（表1）。

3.4 噴嘴夾角對射流效果影響

噴嘴夾角定義為兩噴頭中軸線的延長線夾角，如圖9所示為5組不同噴嘴夾角下射流開溝情況。從中不難看出，隨著噴嘴夾角從0°增大到40°，射流開溝的效果發生了明顯的變化。圖10所示為不同噴嘴夾角下對射流開溝效果的影響。隨著噴嘴夾角增大，射流開溝的最大深度和最后穩定深度均有所增。圖11所示為不同噴嘴夾角下開溝深度與寬度情況。圖11(a)開溝深度仿真數據與擬合曲線，函數方程如表2所示；圖11(b)開溝寬度仿真數據。從圖11(a)可以看出，噴嘴夾角從0°變為40°，能增加大概0.1 m開溝的深度。但隨著噴嘴夾角從0°變為40°，開溝的寬度減少0.25 m左右（圖11(b)）。

圖 9 不同噴嘴夾角下開溝情況

圖 10 不同噴嘴夾角下開溝深度變化

圖 11 不同噴嘴夾角下開溝深度與寬度

4 結 論

本文通過仿真分析研究了不同因素，如噴射流量、靶距、噴嘴間距和噴嘴夾角對射流開溝的深度和寬度的影響。本文通過仿真分析發現，隨著噴嘴噴出的流體流速增加，開溝的深度和寬度都會增大，但是變化速率有所不同，它們與噴出流速的關系可以擬合成兩條相反的指數曲線；從噴嘴到泥沙表面的靶距越大，射流開溝的深度和寬度越淺，它們與靶距的關系也可以擬合成兩個指數函數；射流的寬度與噴頭間距呈線性關系，間距越大，寬度越寬；噴嘴夾角對射流開溝的效果影響也是可觀的。對于挖溝機功率一定的情況下，通過改變噴射臂噴嘴配置，可以有效提高挖溝機的開溝深度。因此，借助本文的分析，在挖溝機實際作業中，根據需要埋設電纜的尺寸以及需要埋設的深度，設置合適的噴射條件和噴嘴角度，可以有效增強挖溝機的開溝能力，提高挖溝機的作業效率。

[1] 高溦.水力沖射海底開溝機的參數優化[D].大連:大連理工大學,2008

[2] 張海朋.海底水力沖射開溝作業數值計算[D].哈爾濱:東北石油大學,2016

[3] 唐立志.適用于硬質黏土的淹沒射流物理模型[J].油氣儲運,2016,35(4):432-438

[4] 奉虎,王艷濤,杜喜軍,等.挖溝機噴嘴射流流場的數值模擬[J].中國海洋平臺,2016,31(1):50-54

[5] 王喆,袁慶晴,馬洪新,等.射流式挖溝機溝內流場數值計算與分析[J].哈爾濱工程大學學報,2015(3):292-296

[6] 李振升,倪福生,顧磊,等.雙噴嘴射流沖坑的幾何相似性研究[J].機械設計與制造工程,2016,45(1):82-85

Simulated Analysis of Nozzle and Jetting Parameters of a Jetting Trencher

LU Zhi-fei, HU Kai, ZHENG Xin-long, ZHANG Lei

316021,

The jetting trencher destroys the soil by injecting water with high pressure and velocity, forms the trench type needed to bury submarine cable and pipe to prevent them from the destruction outside. When the jetting trencher works on the seabed, the nozzle and jetting parameters directly affect the trenching ability and efficiency. At present, there is a lack of research on nozzle and jetting parameters of jetting trencher in China, and the influence of these parameters on jet trenching is still not clear. In order to improve the working efficiency and enhance the trenching capacity of the jetting trencher, the influence of the different factors, such as the flow rate of the jet, the distance of the jet target, the distance and the angle of the nozzles, on the trenching depth and width are studied in this paper. With the help of the analysis by this paper, in the actual operation of the jetting trencher, according to the cable size and the buried depth, setting the appropriate jetting conditions and nozzle angle can effectively enhance the trenching capacity of the jetting trencher and improve its efficiency.

Trenching machine;jetting parameters; numerical simulation

TM757.4

A

1000-2324(2019)03-0449-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.020

2018-06-12

2018-07-05

國網總部項目:直流電纜運行特性及海纜智能巡檢技術研究(52110115007J)

盧志飛(1986-),男,碩士,工程師,主要研究方向為海洋輸電線路運維技術. E-mail:hcyrobot@163.com