耙吸挖泥船超高壓淹沒水射流特性研究

康學增，江帥，尹紀富*

（1.中交疏浚（集團）股份有限公司，北京100088；2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

耙吸挖泥船超高壓淹沒水射流特性研究

康學增1，江帥2，尹紀富2*

（1.中交疏浚（集團）股份有限公司，北京100088；2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

采用數(shù)值模擬方法，研究耙吸挖泥船超高壓淹沒水射流特性，主要研究了超高壓射流噴嘴在射流方向的影響范圍、移動速度對射流特性的影響等問題。結(jié)果表明：超高壓沖水時，隨著射流距離的增加，射流動態(tài)壓力呈現(xiàn)指數(shù)衰減特性，射流穩(wěn)定時間隨著射流壓力的增加而增加。射流未充分發(fā)展時，當射流距離達到一定臨界值的情況下，在較遠處的射流中心線周圍形成反向狹長渦量場，形成的二次漩渦在耙頭挖掘過程中可提高疏松土質(zhì)的效率，從而提高疏浚效率。

耙吸挖泥船；超高壓；淹沒射流；流場特性

0 引言

目前國內(nèi)外先進的耙吸挖泥船均配有高壓沖水系統(tǒng)，高壓沖水是輔助耙吸挖泥船進行作業(yè)的必要設備，尤其在黏性土、淤泥等土質(zhì)施工時發(fā)揮了重要的作用[1]。目前國內(nèi)的耙吸挖泥船所配備的高壓沖水一般僅有1~2 MPa，只適用于疏松土質(zhì)，當遇到較小的滲透系數(shù)土質(zhì)情況下，由于土質(zhì)抗剪切能力增加，高壓沖水效果顯著減小。

國外的研究表明，當高壓沖水射流壓力提高到10 MPa以上，甚至100 MPa時，高壓沖水可應用于煤炭開采、石油鉆井、金屬切割等領(lǐng)域[2-4]。國外大型疏浚公司超高壓沖水方面的研究已在十幾年前進入到應用層面，在遇到硬黏土或軟巖時采用超高壓沖水后，疏浚產(chǎn)量提高了20%~30%，在過去的十幾年時間里，有關(guān)超高壓沖水系統(tǒng)工藝的研究已經(jīng)給國外的四大疏浚集團創(chuàng)造了巨額的經(jīng)濟效益[5-6]。

由于受到施工工藝和相關(guān)理論研究不成熟的限制，國內(nèi)相關(guān)的船舶施工的高壓沖水壓力較低，特別是在耙頭移動過程中，射流特性變化引起效率低下的問題，迄今并未解決。鑒于此，有必要對超高壓沖水的淹沒射流特性進行相關(guān)理論研究。本文采用數(shù)值模擬方法，主要研究了水下淹沒狀態(tài)超高壓沖水噴嘴在射流方向的影響范圍以及射流特性等問題。

1 數(shù)值方法及模型

1.1 數(shù)值方法

不可壓縮流動N-S方程為：

式中：t為時間變量；ρ為密度；v為運動黏度；ui、uj為瞬時速度分量；xi、xj為空間坐標（i=1，2，3，j=1，2，3，分別代表x，y，z）；p為壓力。

湍動黏度的限制公式為：

式中：Pk和Pω為湍流生成項，其定義及模型中相關(guān)系數(shù)的取值參見文獻[7]。

在k方程耗散項中的湍流尺度參數(shù)lk-ω的表達式為：

式中：βk為模型常數(shù)，取值為βk=0.09。

1.2 數(shù)值模型

數(shù)值模型采用的噴嘴入口端直徑D1=0.008 m，噴嘴出口直徑D2=0.001 4 m，噴嘴出口端長度L1=0.006 m，收縮段長度L2=0.012 m。噴嘴流場采用三維模擬方法。采用全六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)量為232萬，部分網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格示意圖Fig.1Grid diagram

由于噴嘴直徑較小，因此在噴嘴近壁面采用邊界層網(wǎng)格進行近壁網(wǎng)格劃分，提高數(shù)值模擬精度。數(shù)值模型邊界條件主要包括壓力進口、壁面邊界、壓力出口邊界。數(shù)值模擬中，時間項采用二階隱式的散格，壓力項采用二階迎風格式離散。速度與壓力的耦合采用SIMPLE方法，動量方程的離散則采用邊界上的二階迎風格式，計算的時間步長設定為0.005 s，計算總時間為25 s。

2 數(shù)值結(jié)果

2.1 數(shù)值結(jié)果分析

數(shù)值分析時，對10~50 MPa噴嘴入口壓力進行了數(shù)值分析，噴嘴射流方向為z向，圖2給出了不同射流距離時射流壓力變化特性。記Pin為噴嘴進口壓力；Pd為不同距離時的動態(tài)壓力。

圖2不同靶距時超高壓射流壓力變化特性Fig.2Pressure variation characteristics of ultra-high pressure jet at different jet distance

圖2 結(jié)果可知，超高壓射流動態(tài)壓力在8D~ 10D時還接近噴嘴的進口壓力，當噴嘴進口壓力為10 MPa時，隨著射流距離的增加，射流動態(tài)壓力呈現(xiàn)明顯的指數(shù)衰減特性，且當射流距離達到40D左右時，射流動態(tài)壓力Pd趨于0。在相同的計算時間內(nèi)，當射流壓力逐漸增加時，在20D~ 40D時的壓力特性發(fā)生較明顯的變化，當射流壓力Pd≥30 MPa時，在射流距離20D~40D間存在1個突起的峰值，動態(tài)壓力Pd的峰值可達到0.3Pin~ 0.5Pin，說明在計算時間內(nèi)射流并未達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3為10 MPa超高壓淹沒水射流壓力靜止和移動時不同靶距時速度變化特性。由圖中結(jié)果可以看出，當噴嘴靜止時（圖3（a）），在沿射流垂直的y方向上速度分布呈現(xiàn)對稱分布特性，在z=5D處，射流速度與理論速度基本相當，隨射流距離的增加，當z=10D時，速度僅為理論速度的0.8倍左右，當z=50D時，射流速度僅為理論速度的0.2倍。當移動速度u=1.5 m/s時，圖3（b）所示，射流初始段的速度變化特性與噴嘴靜止時相似，射流距離大于10D后，速度分布出現(xiàn)關(guān)于射流中心線不對稱的特征，當射流距離z=50D，射流最大速度所處的位置向噴嘴移動的反方向偏移了約2.5D的距離，但速度大小并未出現(xiàn)明顯衰減。

圖3 10 MPa超高壓淹沒水射流速度變化特性Fig.3Velocity variation characteristics at 10 MPa submerged jet pressure

圖4 給出了50 MPa超高壓淹沒水射流速度特性。由圖中結(jié)果可知，在此射流壓力下，噴嘴的移動速度對不同噴距情況下的速度場分布幾乎沒有影響。因此提高射流壓力，可以減弱移動速度對速度場分布的影響，這對于疏浚施工具有較為重要的工程指導意義。

2.2 超高壓射流流場特性分析

淹沒射流是一種不斷演變的流動，沿流動方向其內(nèi)部的亞微觀情形在不斷的演變。靜水中的淹沒射流是由初始段和基本段構(gòu)成的，初始段和基本段的交界面可以成為轉(zhuǎn)折斷面。在基本段內(nèi)，射流外邊界以內(nèi)的區(qū)域為邊界層，其射流寬度隨著靶向距離的增加而增大，到無限遠處射流完全淹沒在周圍截止中變?yōu)殪o止流體，邊界層內(nèi)的時均速度分布對稱于射流中心軸線。

基于以上淹沒射流的流動形態(tài)，圖5中給出了10 MPa射流壓力時渦量場的變化特性，圖5（a）為三維渦量場變化特性，圖5（b）為在射流方向上不同截面切片出的變化特性。由圖中結(jié)果可知，沿射流中心線方向，射流靶距越大，其影響的范圍也越大，但是其渦量變化特性越小，說明外層流體的旋轉(zhuǎn)運動愈加明顯。在切片圖中可看出，距噴嘴越遠的區(qū)域影響范圍越大，但射流不能集中于射流中心線周圍。在三維渦量圖中可看到，雖在射流中顯現(xiàn)周圍還有渦量場的存在，但其大小相對于射流初始時已顯著減弱。

圖4 50 MPa超高壓淹沒水射流速度特性Fig.4Velocity variation characteristics at 50 MPa submerged jet pressure

圖5 10 MPa超高壓射流渦量場變化特性Fig.5Vorticity characteristics at 10 MPa submerged jet pressure

為觀察不同超高壓射流時渦量場的變化特性，圖6中給出了50 MPa射流壓力時渦量場的變化特性，同樣，圖6（a）為三維渦量場變化特性，圖6（b）為在射流方向上不同截面切片處的變化特性，為了便于比較分析，計算時間與10 MPa射流時相同。圖中結(jié)果可知，當射流壓力為50 MPa時，渦量場在垂直于射流方向的區(qū)域范圍出現(xiàn)減小又擴大的現(xiàn)象，且隨著射流壓力的增加，向外擴展的區(qū)域增加明顯，此現(xiàn)象文獻[9]中已提出，但并未給出詳盡闡述。

在靜止的水中進行超高壓射流，當壓力未達到一定程度時，射流強度并不能突破周圍流體交換時的邊界層效應，沿程渦量場變化區(qū)域逐漸增大到達極限，不能再發(fā)展。由于射流的自模性[10]，在沿流程發(fā)展的流動中，流動將紊動向射流方向輸運，任意斷面的流動狀態(tài)取決于其上游斷面的流動特性，因為其下游的流動特性是上游某一斷面的流動結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的。當壓力超過一定程度后，射流為充分發(fā)展前，前序不能發(fā)展的渦量場在收縮的過程中被后續(xù)的渦量向射流方向上輸運，逐漸形成二次漩渦，而這種現(xiàn)象增加了射流穩(wěn)定所需要的時間，這也和動態(tài)壓力的變化趨勢相吻合。

圖6 50 MPa超高壓射流渦量場變化特性Fig.6Vorticity characteristics at 50 MPa submerged jet pressure

圖7 中給出了10 MPa和50 MPa射流截面渦量場的變化特性。圖中結(jié)果更是形成鮮明的對比，當射流壓力為10 MPa時，渦量場影響范圍較小，切射流中心線上在靶距較遠時并未形成鮮明的二次漩渦結(jié)構(gòu)，說明此時射流已充分發(fā)展。而當射流壓力為50 MPa時，射流未充分發(fā)展，形成了明顯的二次渦結(jié)構(gòu)，并且在射流中線上，在靶距較遠處形成了反向狹長的渦量場。因此在疏浚過程中，形成二次漩渦，對于疏松泥土、沖刷泥沙是較為有利的。

圖7 10 MPa和50 MPa超高壓射流截面渦量場特性對比Fig.7Comparison of vorticity characteristics at jet cross-section under 10 MPa and 50 MPa jet pressures

3 結(jié)語

采用數(shù)值模擬方法，研究了耙吸挖泥船超高壓沖水特性，主要研究了淹沒水下超高壓沖水噴嘴在射流方向的影響范圍、移動速度對射流特性的影響特性等問題。重點分析了超高壓射流壓力及移動速度對其流場特性的影響，得出如下結(jié)論：

1）超高壓射流動態(tài)壓力在射流壓力為10 MPa時，隨射流距離的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減特性，當射流達到一定距離時，射流壓力動態(tài)壓力趨于零，隨著射流壓力的增加，射流動態(tài)壓力穩(wěn)定所需的時間增加。

2）靜止超高壓射流時，在沿射流垂直的y方向上速度分布呈現(xiàn)對稱分布特性，當噴嘴移動時，當射流距離達到一定程度后，速度分布出現(xiàn)關(guān)于射流中心線不對稱的特征，射流最大速度所處的位置向噴嘴移動的反方向偏移，但速度大小并未出現(xiàn)明顯衰減，當壓力增加后，移動速度對射流速度的分布幾乎沒有影響。

3）當超高壓射流壓力增加后，射流充分發(fā)展所需的時間增加，在相同的計算時間內(nèi)，射流未充分發(fā)展，加上射流強度突破周圍流體交換時的邊界層效應，前序中不能發(fā)展的渦量場在收縮的過程中被后續(xù)的渦量向射流方向上輸運，形成二次漩渦。

由以上結(jié)論可以看出：對于疏浚過程，射流壓力的增加可減少噴嘴移動速度對其速度場的影響，射流未充分發(fā)展時，超高壓壓力引起的二次漩渦可以促進泥土的疏松與沖刷，從而提高疏浚作業(yè)的效率。

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The flow characteristic of submerged ultra-high pressure jet on TSHD

KANG Xue-zeng1,JIANG Shuai2,YIN Ji-fu2*
（1.CCCC Dredging(Group)Company Limited,Beijing 100088,China;2.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Through the numerical simulation method,we studied the characteristics of submerged ultra-high pressure jet of trailing suction hopper dredge(TSHD),mainly studied the influence range of the high pressure jet nozzle in the direction of the jet,and the influence of the moving velocity on the characteristics of the jet are studied.Results show that the dynamic pressure of the jet decreases exponentially with the increase of the jet distance,and the steady time of the jet increases with the increase of the jet pressure when the ultra-high pressure flushing.When the jet is not fully developed and the jet distance reaches a certain critical value,a reverse vortex field is formed in the center of the jet centerline.The twice vortex structure can improve the efficiency of loose soil on the dredging process，increase the efficiency of the dredging operations.

trailing suction hopper dredge(TSHD);ultra-high pressure;submerged jet;flow characteristic

U615.351.2

A

2095-7874（2017）05-0001-05

10.7640/zggwjs201705001

2017-02-13

2017-04-25

康學增（1958—），男，河北黃驊人，碩士，高級工程師，總裁，從事疏浚技術(shù)研究及管理工作。

*通訊作者：尹紀富，E-mail：yinjifu@cccc-drc.com