大深度潛器沖吸復合清淤工具研制

郭 威，姜 磊，胡曉函，王 希，吳德發(fā)，劉銀水

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

引言

我國現(xiàn)有各類水庫大壩9.8萬余座，且許多大壩使用年限長[1]，在發(fā)揮效益的同時存在安全隱患，例如壩面裂縫、凹坑[2-3]等。大壩檢測是確保大壩安全的必要措施[4-5]，但壩面附著的泥沙導致無法直觀準確的觀察到壩面情況，因此大壩檢測時必須清除壩面泥沙并且保證壩面附近水域清澈。

國內(nèi)外現(xiàn)有的大壩檢測方法主要分兩種[6]：

(1) 人工方法。雇傭潛水員攜帶水下攝像機等設備進行水下檢查。但人工方法受潛水員潛水深度低、工作時間短、工作條件有限、潛水員危險性較大等諸多限制；

(2) 隨著水下載人潛水器技術(shù)的成熟，其在科研方面發(fā)揮著重要作用[7]。水下載人潛器搭載作業(yè)工具進行水下檢測[8-9]，首先作業(yè)工具清除壩面附著的泥沙，然后載人艙內(nèi)的工作人員直接觀測或使用水下電視間接觀測壩面情況，這種方法對水質(zhì)要求極高?，F(xiàn)有的水下清除作業(yè)工具有壩面機械清理機，張立山等[10]設計的淹沒式水射流沖泥裝置。這些裝置工作時都會使壩面附近水域變渾濁，無法清晰的觀測到壩面情況。

因此，設計出一個能在大深度環(huán)境下完成壩面泥沙清除，及時吸走壩面附近渾濁水，并且可以穩(wěn)定工作的大深度潛器沖吸復合清淤工具是目前亟需解決的技術(shù)難題。

1 作業(yè)工具工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

大深度潛器沖吸復合清淤工具搭載于水下潛器，應用于壩面泥沙的清除，要求小型化、簡單化、輕量化。作業(yè)工具系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 作業(yè)工具系統(tǒng)原理圖

沖吸復合作業(yè)工具由水下電機、離心泵、控制閥組、沖泥和吸泥工具等元件構(gòu)成。水下電機驅(qū)動離心泵作為系統(tǒng)動力源，分別給沖洗工具和抽吸工具提供動力。直接沖刷容易引起附近水域渾濁[11]，影響觀察；而通過應用射流泵，將壩面渾濁水經(jīng)過管道從潛器的艉部排出，從而保證壩面附近水域清澈，便于觀察。因此本系統(tǒng)將沖洗和抽吸工具進行融合，建立沖洗與抽吸復合噴頭，并通過二位二通換向閥分別控制作業(yè)工具沖洗、抽吸和沖吸復合工作模式的轉(zhuǎn)化。

1.2 系統(tǒng)組成及參數(shù)

動力源：水下電機驅(qū)動離心泵工作提供高壓流體，額定揚程30 m，額定流量12 m3/h。

控制閥組：將大深度潛器沖吸復合清淤工具的2個電磁截止閥A，B進行集成設計，該方案中2個單閥通徑40 mm，開度3.5 mm，共用1個閥體，并通過閥體內(nèi)部流道連通，共同使用1個進口，2個單閥可以互不干擾的獨立工作。將動力源提供的高壓流體分為兩路，一路供給到復合噴頭噴嘴實現(xiàn)作業(yè)工具的沖洗功能；一路供給到射流泵，實現(xiàn)作業(yè)工具的抽吸功能；控制閥同時工作，實現(xiàn)沖吸復合功能。

復合噴頭：將沖泥工具出口噴嘴與抽吸工具進口相融合，組成復合噴頭。沖泥工具噴嘴數(shù)量12個，噴嘴直徑3.6 mm，長度為10 mm。

射流泵：作業(yè)工具動力源產(chǎn)生的高壓水作為射流泵的工作液體使射流泵內(nèi)部形成低壓，抽吸復合噴頭所在水域的渾濁水，兩股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)進一步混合并進行質(zhì)量和動量傳遞，最后從擴散管排出，完成射流泵工作的全過程。依據(jù)作業(yè)工具動力源的額定流量與揚程以及射流泵理論[12]，射流泵的面積比設計為4，噴嘴直徑10 mm，喉管長度為130 mm。

為克服水深壓力對工具性能的影響，電機、電磁鐵、泵驅(qū)動腔等殼體采用壓力補償器進行補償，可適應大深度環(huán)境壓力。

1.3 裝置特點

(1) 結(jié)構(gòu)簡單、輕便。作業(yè)工具搭載于載人潛器，該裝置沖洗與抽吸共同使用1個動力源，將沖洗噴嘴與抽吸噴頭融合為復合噴頭；

(2) 易于操作。作業(yè)工具工作時通過控制閥組進行工作模式的切換；

(3) 維護方便。作業(yè)工具的各個零部件模塊化，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便；

(4) 多模式切換。沖洗工作模式，抽吸工作模式，沖洗與抽吸復合工作模式。

2 作業(yè)工具沖洗與抽吸特性仿真分析

2.1 靶距對流場特性影響分析

在復合噴頭其余參數(shù)不變的前提下，單純改變射流靶距，在SolidWorks中分別建立射流靶距為60,80，100，120 mm的物理模型，應用ANSYS中的DM模塊抽取流體域，采用 Fluent前處理軟件MESH進行網(wǎng)格劃分，劃分時采用適應性較強的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。仿真分析中所采用的參數(shù)設置及邊界條件如下：

(1) 流體模型——RNGk-ε湍流模型；

(2) 邊界條件——復合噴頭進口采用壓力進口邊界條件，進口壓力設置為0.3 MPa；抽吸出口和流體域出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設置為0 MPa；

(3) 求解設置——采用SIMPLE算法，離散控制方程組的源項和擴散采用二階中心差分格式項，離散控制方程組的對流項采用二階迎風格式，計算收斂精度為10-4。

通過仿真分析，射流靶距為60，80，100，120 mm的復合噴頭出口對應出口射流的最大速度(23.06±0.38) m/s，說明流體經(jīng)過噴嘴獲得的速度大小與外流場的長度無關(guān)。

不同靶距x外流場最大速度v如圖2所示，復合噴頭在4種靶距下，各截面的速度變化趨勢基本相同；在外流場中，噴嘴射出的流體與外流體域發(fā)生質(zhì)量和動量的交換，速度逐漸變小，在距噴嘴較近處速度衰減劇烈，距噴嘴較遠處速度衰減逐漸減弱。在射流到達壁面之前，最大速度的變化曲線相差較小，當流體沖擊到壁面時，速度急劇降低至0 m·s-1。

圖2 不同靶距外流場最大速度曲線

2.2 沖洗工作模式

作業(yè)工具沖洗工作模式時，控制閥組A閥口關(guān)閉，B閥口開啟，水下電機驅(qū)動離心泵產(chǎn)生的高壓流體經(jīng)過控制閥組閥口B到達復合噴頭噴嘴，并從噴嘴射出沖擊到壁面。

應用ANSYS仿真軟件中的DM模塊抽取流體域如圖3所示，應用MESH模塊對流體域進行網(wǎng)格劃分，選取網(wǎng)格數(shù)量為7911040個和9817022個，應用Fluent模塊進行內(nèi)部流場仿真計算。2種網(wǎng)格的模擬結(jié)果相差很小，所以從計算誤差和計算效率兩方面考慮，最終選定數(shù)量為7911040個的網(wǎng)格進行模擬計算。

圖3 流體域

仿真分析中所采用的參數(shù)設置及邊界條件如下：

(1) 流體模型——RNGk-ε湍流模型；

(2) 邊界條件——閥組流道入口采用壓力進口邊界條件，因動力源離心泵的揚程為30 m，因此進口壓力設置為0.3 MPa；射流泵出口和流體域出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設置為0 MPa(表壓)；

(3) 求解設置——采用 SIMPLE 算法，計算收斂精度為10-4。

作業(yè)工具沖洗工作模式的仿真流體域的壓力分布云圖如圖4所示。觀察壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，沖洗工作模式，流體經(jīng)過控制閥組B閥口到復合噴頭安裝環(huán)，并從噴嘴射出到外界流體域這一過程中壓力逐漸降低，流體域從閥組進口到復合噴頭安裝環(huán)前這一段壓力范圍在0.2645～0.3000 MPa，閥組管路與噴嘴安裝環(huán)進口連接處壓力范圍為0.1935～0.2290 MPa，噴嘴安裝環(huán)整體壓力范圍為0.2290～0.2645 MPa，外部流體域的壓力范圍為0～0.01616 MPa。閥口位置處壓降較低，壓損較??；噴嘴安裝環(huán)經(jīng)噴嘴射流到外界流體域這一過程壓降最大，即噴嘴處壓損較大。

圖4 壓力分布云圖

作業(yè)工具沖洗工作模式的跡線分布如圖5所示，流體從閥組進口進入依次經(jīng)過控制閥組、復合噴頭噴嘴安裝環(huán)，從復合噴頭噴嘴高速射出沖擊到壁面改變流體運動方向，一部分從復合噴頭抽吸進口進入，經(jīng)射流泵排出；一部分從外界流體域出口流出。噴嘴安裝環(huán)內(nèi)部速度變化明顯，安裝環(huán)進口處速度較高，隨距離安裝環(huán)進口距離的增加，安裝環(huán)內(nèi)速度逐漸降低，且兩側(cè)速度對稱分布。這是因為進入安裝環(huán)進口的流量從安裝環(huán)上均勻分布的噴嘴射出，隨距離噴嘴安裝環(huán)進口距離的增加，管路中的流量逐漸變小，所以速度降低。

圖5 跡線分布圖

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為7.2 m3/h，抽吸流量為1.558 m3/h。

2.3 抽吸工作模式

作業(yè)工具抽吸工作模式時，控制閥組A閥口開啟，B閥口關(guān)閉，動力源提供的高壓流體作為射流泵工作流體經(jīng)過控制閥組A閥口進入射流泵內(nèi)部，使射流泵工作，抽吸復合噴頭附近水域流體。

作業(yè)工具抽吸工作模式流體域的壓力分布云圖如圖6所示。觀察壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)沖洗工作模式，流體經(jīng)過控制閥組A閥口作為射流泵的工作液體，從射流泵工作液體進口進入，經(jīng)過吸入室、喉管和擴散管從射流泵出口流出到外界流體域，這一過程中壓力先降低再升高。流體域從閥組進口到射流泵工作液體進口前這一段壓力范圍為0.26810～0.30000 MPa，喉管處壓力范圍為-0.11650～0.08447 MPa，其余外部流體域的范圍為0.05242～0.01616 MPa。

圖6 壓力分布云圖

作業(yè)工具沖洗工作模式的跡線分布如圖7所示，流體在射流泵噴嘴處速度最大為26.90 m/s，外界流體通過復合噴頭抽吸進口進入管路，作為射流泵的被吸流體進入射流泵內(nèi)部，速度逐漸增加，但小于工作流體的速度。工作流體與被吸流體在喉管內(nèi)部進行質(zhì)量和動量的交換，使混合流體在喉管末端速度變均勻，并從擴散管排出。

圖7 跡線分布圖

結(jié)合作業(yè)工具的抽吸工作模式流體域的壓力分布云圖和跡線分布圖，可以得到：作業(yè)工具抽吸工作模式時，動力源離心泵提供的高壓流體，作為射流泵的工作流體，經(jīng)過控制閥組在射流泵噴嘴處形成高速流體射至吸入室，使該區(qū)域形成低壓，與外界環(huán)境壓力形成壓力差，在壓力差的作用下將被吸流體卷吸入吸入室，2股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)充分的混合并進行質(zhì)量和動量傳遞，在喉管末端速度趨于一致，進入擴散管后，擴散管過流面積逐漸增大，將流體動能轉(zhuǎn)換為壓力能，從射流泵出口排出。

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為0 m3/h，抽吸流量為8.67 m3/h。

2.4 沖洗與抽吸復合工作模式

作業(yè)工具沖洗與抽吸復合工作模式，控制閥組同時開啟，水下電機驅(qū)動離心泵產(chǎn)生的高壓流體一部分經(jīng)過控制閥組A閥口到達射流泵工作液體進口，使射流泵工作，抽吸復合噴頭附近水域流體；一部分經(jīng)過控制閥組B閥口到達復合噴頭噴嘴，并從噴嘴射出沖擊到壁面。

作業(yè)工具沖洗與抽吸復合工作模式是沖洗模式與抽吸模式兩者的結(jié)合。流體域的壓力分布云圖如圖8所示，從圖中可以看到?jīng)_洗與抽吸復合工作模式時，壓力云圖變化與單作用沖洗模式和抽吸模式相比，整體趨勢相同，但管路內(nèi)的壓力相對減小。流體域從閥組進口到射流泵工作液體進口前這一段壓力與流體域從閥組進口到復合噴頭安裝環(huán)這一段壓力范圍為0.237～0.300 MPa；喉管處壓力范圍為-0.111～0.015 MPa，噴嘴安裝環(huán)整體壓力范圍為0.174～0.205 MPa。

圖8 壓力分布云圖

作業(yè)工具復合工作模式的跡線分布如圖9所示，沖洗模式與抽吸模式兩者的結(jié)合，但沖擊速度與單作用沖洗模式相比略有減小。

圖9 跡線分布圖

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為6.1 m3/h，抽吸流量為10.08 m3/h。

3 作業(yè)工具試驗

大深度潛器沖吸復合清淤工具實物如圖10所示。本試驗主要根據(jù)樣機的實際應用環(huán)境，通過高壓模擬試驗臺對樣機進行耐壓試驗，如圖11所示，試驗臺加卸壓p流程如圖12所示。為驗證大深度潛器沖吸復合清淤工具仿真分析的有效性，進行陸地環(huán)境樣機沖洗模式、抽吸模式、沖吸復合模式的流量測試試驗，水池試驗如圖13所示，試驗的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 工具實物圖

表1 試驗與仿真數(shù)據(jù)

圖11 高壓環(huán)境模擬試驗

圖12 加卸壓流程圖

圖13 水池試驗

通過耐壓試驗驗證了大深度潛器沖吸復合清淤工具在不同的環(huán)境壓力下具有很好的絕緣、密封與耐壓性能，并且可以穩(wěn)定工作。

對大深度潛器沖吸復合清淤工具不同的工作模式進行模擬仿真分析，其作業(yè)工具進口流量與試驗結(jié)果相比，誤差小于11%，兩者的一致性較好。

4 結(jié)論

為清晰觀察水下大壩，設計出沖洗與抽吸功能復合的水壓作業(yè)深水工具。通過CFD數(shù)字仿真分析，得出不同工況下的壓力和流量特性，抽吸流量大于沖洗流量，從而保證沖洗引起的渾水可充分吸走。最后通過水池和壓力筒試驗，驗證了設計的合理性，目前已裝備于我國首艘大壩檢測載人潛水器。