挖溝機(jī)噴嘴射流流場的數(shù)值模擬

奉 虎， 王艷濤， 杜喜軍， 王 亮， 尚智敏， 曹 宇， 白 勇

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451， 2.浙江大學(xué)， 杭州 310058)

?

挖溝機(jī)噴嘴射流流場的數(shù)值模擬

奉 虎1， 王艷濤1， 杜喜軍1， 王 亮1， 尚智敏1， 曹 宇2， 白 勇2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451， 2.浙江大學(xué)， 杭州 310058)

噴嘴是海底挖溝機(jī)中的重要元件，該文采用FLUENT軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬，對噴嘴的射流特點進(jìn)行研究，分析了噴嘴進(jìn)口壓力、流量對射流沖擊力衰減變化的影響。結(jié)果表明，射流在淹沒情況下，對進(jìn)口壓力進(jìn)行有效控制，可以形成理想的沖刷域，并產(chǎn)生良好的沖刷效果，能夠達(dá)到工程應(yīng)用的需要，可以有效提高挖溝機(jī)的工作效率。

噴嘴；數(shù)值模擬；沖擊力；沖刷域

0 引言

在海洋油氣工業(yè)中，一般通過海底敷設(shè)管道向陸地或儲油系統(tǒng)輸送油氣。如果管道埋深不夠或者僅僅采用平鋪方式，在使用過程中便會出現(xiàn)變形、斷裂或泄露等現(xiàn)象。因此，合理高效的挖溝是有效敷設(shè)和保護(hù)管道的前提，是海洋油氣工程的重要配套環(huán)節(jié)[1]。

水力噴射是一種新型高效能的破巖技術(shù)，與傳統(tǒng)的爆破、機(jī)械破巖手段相比有許多優(yōu)點[2]。水力噴射機(jī)構(gòu)簡單、安全性高，碎石對設(shè)備影響小，部件無需進(jìn)入泥土層，埋深較大，挖溝效率高。

自20世紀(jì)70年代初以來，國內(nèi)外對噴嘴技術(shù)展開了相應(yīng)研究。Maurer等[3]進(jìn)行了超高壓射流鉆井室內(nèi)試驗，結(jié)果表明，機(jī)械鉆速可以提高2～3倍，證明了超高壓射流鉆井技術(shù)能有效提高機(jī)械鉆速。美國?？松?Exxon)開發(fā)的特殊高壓鉆頭試驗設(shè)備，使鉆速增加了很多，結(jié)果表明，高壓沖擊鉆頭比普通鉆頭快2～3倍。沈忠厚等[4]對高壓水射流理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其研制的加長噴嘴鉆頭、超高壓射流鉆頭等取得了良好的應(yīng)用效果。陳玉凡等[5]對高壓水射流主參數(shù)(壓力和流量)對清洗效率的影響進(jìn)行了理論分析。倪紅堅等[6]采用非線性動力有限元法和巖石動態(tài)損傷模型對高壓水射流射孔過程及機(jī)理進(jìn)行了模擬研究。連璉等[7]設(shè)計的噴沖式埋纜系統(tǒng)具結(jié)構(gòu)簡單、挖溝速度快、埋設(shè)深度大等優(yōu)點，便于在深水地區(qū)和埋深要求較高的地區(qū)使用。

目前，在淺海挖溝領(lǐng)域，國外的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并且在挖溝工具和附屬設(shè)備方面也很完善。我國開展海底挖溝研究的時間較晚，與國外先進(jìn)技術(shù)有很大差距，因此，有必要開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，并投入到工程運(yùn)用當(dāng)中，為我國的海洋石油開采的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 理論模型分析

1.1 基本方程

(1) 伯努利方程

(1)

式中：P為壓力，MPa；V為速度，m/s。

(2) 連續(xù)方程

(2)

(3) 控制方程

選用連續(xù)性方程和N-S方程作為控制方程，并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型建立封閉控制方程組。

不可壓縮流體的連續(xù)性方程在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

(3)

不可壓縮流體的N-S方程在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

(4)

(5)

(6)

(4) 標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型的湍動能k和耗散率ε方程為：

(7)

(8)

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍流動能；Gb為由于浮力引起的湍流動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

湍流粘性系數(shù)：

(9)

在FLUENT中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍流能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σz=1.3。

1.2 幾何模型

利用UG軟件來建立噴嘴幾何模型，之后將模型導(dǎo)入Gambit中，同時對幾何模型進(jìn)行修正，最后劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件，噴嘴幾何模型如圖1所示。

1.3 邊界條件設(shè)置

計算域邊界設(shè)置如圖1所示，EL為高壓水壓力入口，其工作壓力為10 MPa～100 MPa，LA、AB、CD、DE為水射流壓力出口， EF、FG、GH為空氣壓力出口，設(shè)為10 m水深的壓力為0.1 MPa。

由于噴嘴工作環(huán)境在水中，射流始終處于淹沒狀態(tài)，為了消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，便于節(jié)點和單元分布的可控性，能較好地處理邊界，該文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 幾何模型及邊界設(shè)置 圖2 網(wǎng)格劃分圖

2 噴嘴的數(shù)值模擬結(jié)果與分析

該文將噴嘴作為淹沒射流進(jìn)行模擬，對淹沒射流流場進(jìn)行分析，使數(shù)值模擬與實際情況一致。噴嘴的進(jìn)口壓力為10 MPa～100 MPa，每10 MPa為一間隔，共分為10組進(jìn)行模擬，將其結(jié)果進(jìn)行分析對比。

(1) 射流角對沖擊域的影響分析

將模擬結(jié)果中獲得的射流速度云圖導(dǎo)入相關(guān)軟件中，經(jīng)過尺寸測量并計算獲得射流擴(kuò)散角，擴(kuò)散角的大小意味著沖擊域的大小，錐形單噴嘴射流角如圖3所示。

圖3 錐形單噴嘴射流角

從圖3中可以看出：在進(jìn)口壓力為30 MPa的情況下，射流流速較低，隨著進(jìn)口壓力的增加(由50 MPa～100 MPa)，流速逐漸增加，同時射流的流域也不斷擴(kuò)展，噴嘴下游受到?jīng)_擊距離變長；擴(kuò)散角范圍保持在13°～17°之間，射流沖擊域的變化范圍較窄，即沖擊域相對固定，但整體上射流呈現(xiàn)出隨著進(jìn)口壓力的增加，射流角逐漸變大，沖擊域也隨之增加的趨勢。

(2) 射流對沖擊域內(nèi)壓力分布的影響分析

錐形單噴嘴射流壓力云圖如圖4所示，從圖4中可以看出：在噴嘴進(jìn)口壓力較小的情況下，低壓區(qū)主要分布在噴嘴出口位置，并形成了兩個低壓區(qū)；隨著進(jìn)口壓力的增大，噴嘴出口處至噴嘴下游區(qū)域內(nèi)，僅在射流區(qū)域周邊形成低壓區(qū)，隨著壓力的增加，壓力逐漸趨于均勻分布，表明射流的噴射狀態(tài)也趨于穩(wěn)定。因此，在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，進(jìn)口壓力較小的情況對噴嘴工作的穩(wěn)定性不利，可能會造成振動，而在適當(dāng)?shù)闹懈邏呵闆r下，會達(dá)到相對穩(wěn)定的工作環(huán)境，并能有效的提高工作效率。

圖4 錐形單噴嘴射流壓力云圖

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析

為了更好的對錐形雙噴嘴進(jìn)行研究，如圖5～圖7所示，從速度變化曲線、靜壓力變化曲線和徑向流量變化曲線等方面進(jìn)行分析。另外，針對噴嘴射流的沖擊力，給出了以下公式：

(10)

圖5 單噴嘴徑向速度變化曲線 圖6 單噴嘴射流徑向沖擊力曲線

圖7 單噴嘴徑向壓力變化曲線

如圖6所示，單噴嘴徑向速度變化在位于長度L=40 mm的噴嘴出口位置時，流速最大，并且隨著進(jìn)口壓力的增加，速度逐漸增加，最大值為375 m/s，并且在噴嘴出口處，流體的徑向速度最大，隨著徑向距離的變化，流速降低；在較小的進(jìn)口壓力下，L=60 mm～70 mm之間出現(xiàn)了流速下降的現(xiàn)象，由于出現(xiàn)了渦流，導(dǎo)致速度出現(xiàn)能量抵消，減小了流動的速度；在L=80 mm～120 mm之間出現(xiàn)了流速增加的現(xiàn)象，由于進(jìn)口壓力較小(10 MPa～40 MPa)，在噴嘴出口處和遠(yuǎn)離出口位置之間出現(xiàn)了低壓區(qū)，導(dǎo)致回流的產(chǎn)生，使局部流速增加。

單噴嘴徑向壓力變化曲線如圖7所示，在噴嘴內(nèi)部，射流的壓力較大，隨著射流的流出，在噴嘴部位的壓力驟然下降，在射流流出的徑向內(nèi)，壓力基本無變化。位于噴嘴內(nèi)部20 mm～30 mm的壓力比較平穩(wěn)，沒有較大變化，而且壓力最大；當(dāng)流體噴出的瞬間(L=35 mm)，壓力驟減，而且在進(jìn)口壓力較大的情況下，驟減的壓差也就越大；當(dāng)液體流出后在L=45 mm～50 mm之間時，出現(xiàn)了低壓區(qū)，壓力出現(xiàn)了負(fù)壓，在壓力云圖上也有比較明顯的顯現(xiàn)，說明在液體流出的瞬間出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象；當(dāng)液體流出噴嘴后，壓力基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)，受進(jìn)口壓力的影響較小。

3 結(jié)論

通過分析具體的應(yīng)用條件和噴嘴特性，在淹沒條件下，對錐形噴嘴的射流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了如下結(jié)論：(1)在進(jìn)口壓力變化范圍內(nèi)，擴(kuò)散角變化較小，隨著進(jìn)口壓力的增加，沖擊域有增加的趨勢；(2)改變噴嘴進(jìn)口壓力會影響射流流場，隨著進(jìn)口壓力的增加，流場中速度衰減會較小，沖擊域增大。在進(jìn)口壓力為10 MPa～100 MPa的范圍內(nèi)，壓力在50 MPa～70 MPa之間，壓力分布均勻，流量穩(wěn)定，沖擊區(qū)域比較好，在實際工程應(yīng)用中能取得比較理想的使用效果。

[1] 張宏,李志剛,趙宏林等.深水海底管道鋪管設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與國產(chǎn)化設(shè)想[J].石油機(jī)械,2008,36(9)：201-204.

[2] YANG Yong-yin， LI Gen-sheng. Experiment on cutting of super-high pressure wateer jet[J]. Journal of the University of Petroleum, 2003,27(1):36-37.

[3] Maurer W C. Advanced drilling techniques [M]. Tulsa: The Petroleum Publishing Company, 1980.

[4] 沈忠厚.水射流理論與技術(shù)[D]. 北京：石油大學(xué)出版社, 1998.

[5] 陳玉凡.高壓水射流打擊效率理論分析[J].清洗世界,2006,22(10):32-35.

[6] 倪紅堅,王瑞和. 高壓水射流射孔過程及機(jī)理研究[J].巖土力學(xué)，2004，26(z1)：29-32.

[7] 連璉,王道炎.噴嘴式灘海埋纜系統(tǒng)的設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(4):537-540.

Trenchers of Nozzle Jet Flow Field Numerical Simulation

FENG Hu1, WANG Yan-tao1, DU Xi-jun1, WANG Liang1,SHANG Zhi-min1, CAO Yu2, BAI Yong2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China;2. Zhejiang University，Hangzhou 310058, China)

Subsea trenching machine nozzle important components in this article studies based on FLUENT numerical simulating reveals the characteristics of Jet.Nozzle inlet pressure and flow are analyzed on the Jet impact force attenuation effects.Analysis of numerical simulation results showed that submerged Jet case, nozzle inlet pressure control in the right range, scour Jet can form a larger field, flushing effect is ideal, can meet the requirements.

jet trenching； numerical simulation； impact force； scour region

2015-11-22

奉 虎(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2016)01-0050-05

O35

A