噴射式海底挖溝機(jī)的參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值模擬研究

董玉飛，張凱，劉洋

東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318

噴射式海底挖溝機(jī)的參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值模擬研究

董玉飛，張凱，劉洋

東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318

針對噴射式海底挖溝機(jī)效率低的問題，建立了適用于淺海區(qū)域噴射式海底挖溝機(jī)的物理模型，基于噴射式海底挖溝機(jī)特性方程，使用Fluent數(shù)值模擬軟件對模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了噴嘴收縮角度、排泥管擴(kuò)散角度、挖溝機(jī)運(yùn)行深度及射流入口速度等因素對噴射式海底挖溝機(jī)效率的影響，明確了這些因素與挖溝機(jī)運(yùn)行參數(shù)（吸泥速度、負(fù)壓）之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：噴射式海底挖溝機(jī)最大運(yùn)行效率時的噴嘴收縮角度為45°，排泥管擴(kuò)散角度是7°；噴射式海底挖溝機(jī)最大安全運(yùn)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(jī)；收縮角；擴(kuò)散角；Fluent

海底挖溝機(jī)是埋設(shè)海底管道的重要設(shè)備之一。目前世界上有多家公司從事挖溝機(jī)設(shè)備的設(shè)計制造或海底油氣管道的埋設(shè)，比較有代表性的如美國的PSSL及法國的ALCATEL，其中PSSL被認(rèn)為是挖溝技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者[1]。從1940年開始，一些發(fā)達(dá)國家研發(fā)出適用于海底開溝裝備領(lǐng)域的水力噴射式、機(jī)械式海底開溝機(jī)，海底管道犁等不同形式的設(shè)備[2]。1946年SammyCollins首創(chuàng)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(yè)。近期SMD Hydrovision公司交付EMC的DJsl型水力沖射開溝機(jī)的最大管徑為1 524 mm，最大作業(yè)深度可達(dá)300 m[3-5]。海底噴射式挖溝機(jī)在工作時，牽引船牽引著挖溝機(jī)。挖溝機(jī)通過噴嘴內(nèi)高速工作流體的噴出，噴射室內(nèi)形成負(fù)壓，將泥漿吸上來，形成深溝，管道靠自身重力落入溝內(nèi)，挖溝機(jī)再將土回填[6-7]。隨著我國海上油田尤其是淺海區(qū)域油田的開發(fā)，對海底噴射式挖溝機(jī)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(jī)的技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距和問題[8-11]，比如噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、擴(kuò)散角度參數(shù)等的設(shè)置不合理導(dǎo)致運(yùn)行效率低。本文對海底挖溝機(jī)進(jìn)行了模型建立和數(shù)值模擬，分析了開溝機(jī)沖射的工作深度、噴嘴角度和擴(kuò)散角度等工作參數(shù)對海底挖溝機(jī)工作效率的影響，并給出了挖溝機(jī)取最大工作效率時這些參數(shù)的最優(yōu)解，對現(xiàn)場的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 物理模型的建立

噴射式海底挖溝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和物理模型，如圖1所示。

噴射式海底挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 噴射式海底挖溝機(jī)物理模型

表1 噴射泵的幾何-結(jié)構(gòu)尺寸

2 海底噴射式挖溝機(jī)數(shù)值模擬

應(yīng)用Fluent軟件對物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 噴射式海底挖溝機(jī)特性方程

2.1.1 質(zhì)量守恒方程

對噴射泵進(jìn)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(yīng)用動量守恒方程：

式中：φ2為混合室的速度系數(shù)；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(jìn)、出口截面積，m2。

2.2 模型網(wǎng)格劃分

使用Gambit對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2。

圖2 噴射泵挖溝機(jī)模型網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件設(shè)置

設(shè)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(shù)k=1.5（uavgI）2，其中uavg為流體的平均速度，湍流強(qiáng)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(shù)法來確定計算中的壁面條件[12-16]。首先完成上述模型參數(shù)的設(shè)定，再利用solve-monitors-residual來設(shè)置殘差，設(shè)其為10-10，然后開始初始化流場，隨即開始進(jìn)行迭代，計算到收斂為止[17-20]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 噴嘴收縮角度對運(yùn)行參數(shù)的影響

噴嘴收縮角與吸泥速度和吸泥壓力關(guān)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(guān)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(dāng)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(kuò)散角度對運(yùn)行參數(shù)的影響

不同擴(kuò)散角度與吸泥速度和吸泥壓力的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 擴(kuò)散角度與吸泥速度和吸泥壓力的關(guān)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(kuò)散角度的不斷增大，先上升到峰值后下降，當(dāng)擴(kuò)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(jī)海底運(yùn)行深度對運(yùn)行參數(shù)的影響

噴射泵工作水深與吸泥速度和吸泥壓力的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 工作水深與吸泥速度和吸泥壓力的關(guān)系曲線

由圖5可知：隨著噴射泵運(yùn)行深度的加深，吸泥速度和吸泥壓力的絕對值越來越小。當(dāng)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(dǎo)致泵在設(shè)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(jī)射流入口速度對運(yùn)行參數(shù)的影響

噴射泵入口流速與吸泥速度和吸泥壓力的關(guān)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(fù)壓絕對值都呈線性減小，由于現(xiàn)場規(guī)定的流量為1 500 m3/h，泵的揚(yáng)程為70 m，折算后設(shè)定入口最大速度為37.9 m/s，依次減小進(jìn)行模擬，當(dāng)入口速度為8 m/s時吸泥速度剛好能維持噴射泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jī)正常開溝作業(yè)，所以根據(jù)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(guān)系曲線

4 結(jié)論

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

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

（3）綜合考慮了噴嘴收縮角度、擴(kuò)散角度、挖溝機(jī)運(yùn)行深度以及挖溝機(jī)射流入口流體的速度等因素對噴射式海底挖溝機(jī)效率的影響，分析了這些因素與挖溝機(jī)運(yùn)行參數(shù)（吸泥速度、負(fù)壓）之間的關(guān)系。為制造和優(yōu)化海底挖溝機(jī)性能方面提供了理論參考依據(jù)。

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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(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)從事流固耦合數(shù)值計算與數(shù)值模擬研究。

2016-11-18；

2016-12-05

Email：10442654854@qq.com