旋轉(zhuǎn)射流應(yīng)用于海底挖溝的數(shù)值模擬及沖蝕試驗(yàn)研究

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(1.海洋石油工程股份有限公司，天津　300450； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東　青島　266580)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)海底挖溝工程日益增加。通過(guò)挖溝將海底管線掩埋一定深度，是提高深水海底管線在海底的穩(wěn)定性及防止外部機(jī)械損傷的最有效措施之一[1-8]。水力噴射挖溝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)土層適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。射流噴嘴是海底挖溝系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，射流的沖蝕能力及沖擊域大小直接影響挖溝效果和經(jīng)濟(jì)效益。目前水力噴射式挖溝主要采用低壓大排量噴射，噴嘴壓降通常在1.5 MPa左右，通過(guò)錐形噴嘴產(chǎn)生的連續(xù)射流完成沖蝕挖溝，射流的擴(kuò)展角和沖擊域面積都相對(duì)較小[9]。

理論上，旋轉(zhuǎn)射流是一種新型射流，具有大的擴(kuò)展角和沖擊域面積[10-11]，應(yīng)用于海底挖溝有望提高挖溝效率。

因此，本文通過(guò)理論分析，設(shè)計(jì)并加工旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比沖蝕試驗(yàn)，揭示旋轉(zhuǎn)射流的沖蝕效果及提高沖蝕效率，為其應(yīng)用海底挖溝提供理論依據(jù)。

1　旋轉(zhuǎn)射流及噴嘴設(shè)計(jì)

與錐形射流相比，旋轉(zhuǎn)射流最突出的特點(diǎn)有：第一，旋轉(zhuǎn)射流具有三維速度，即：軸向速度、切向速度和徑向速度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)射流作用到?jīng)_擊面上時(shí),除了軸向沖擊外,還存在穩(wěn)定的旋流作用，射流的動(dòng)量利用率更高[12-15]。同時(shí)，旋流導(dǎo)致射流擴(kuò)展角大、沖擊域面積大。其次，旋轉(zhuǎn)射流易引發(fā)空化現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)射流的離心現(xiàn)象，導(dǎo)致軸心的壓力降低。相比于常規(guī)射流更容易誘發(fā)空化射流，從而提高沖蝕能力。因此，將旋轉(zhuǎn)射流應(yīng)用于海底挖溝希望能提高沖蝕效率。

旋轉(zhuǎn)射流噴嘴如圖1(a)，包括噴嘴外殼及葉輪中心體，葉輪直徑16 mm×6 mm，高度為3.5 mm，共有四個(gè)葉片，葉片傾角60°，葉片厚度為1 mm。對(duì)比試驗(yàn)所用的錐形噴嘴見(jiàn)圖1(b)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和錐形噴嘴

表1試驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

噴嘴代號(hào)收縮角α/ °噴嘴直徑do/mm喉道長(zhǎng)度Ld/mmS6034.5C2034.5

注：do表示噴嘴出口直徑，為3 mm。

噴嘴S為旋流噴嘴，噴嘴C結(jié)構(gòu)與海底挖溝現(xiàn)場(chǎng)用錐形噴嘴一致。

2　射流流場(chǎng)的數(shù)值模擬及對(duì)比

目的是對(duì)比兩種射流的沖擊域大小及軸線速度的變化趨勢(shì)。

模擬采用Fluent模擬軟件，材料為不可壓縮液態(tài)水，湍流模型選用Standardk-ε模型，壓力與速度耦合選用SIMPLE算法，采用二階迎風(fēng)式的湍流輸運(yùn)方程和動(dòng)量方程[16-17]。

流場(chǎng)的入口設(shè)為壓力入口，壓力值為1.5 MPa，流場(chǎng)出口為壓力出口，壓力值為101 325 Pa，噴嘴壁面條件設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)滑移。

以旋流噴嘴及流場(chǎng)為例，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2　旋流噴嘴模型網(wǎng)格劃分

錐形噴嘴與旋流噴嘴在30do截面處(流場(chǎng)出口)的射流沖擊域圖見(jiàn)圖3、圖4。兩種射流的軸線速度隨噴距的變化見(jiàn)圖5。

圖3　旋轉(zhuǎn)射流沖擊域

圖4　錐形噴嘴射流沖擊域

圖3、圖4表明，在相同條件下，旋轉(zhuǎn)射流在30do以?xún)?nèi)的沖擊域面積可比錐形噴嘴射流的沖擊域大1倍以上。圖5表明，旋轉(zhuǎn)射流軸向速度衰減更快，原因在于旋流噴嘴將流動(dòng)變?yōu)檩S向和切向速度。

3　淹沒(méi)沖蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)沙樣的制備

針對(duì)渤海海底的土質(zhì)情況，通過(guò)試驗(yàn)配制了抗直剪強(qiáng)度分別為30 kPa、50 kPa和80 kPa的沙樣。材料配比見(jiàn)表2，水泥采用325號(hào)，干砂為石英砂。沙樣干燥所需時(shí)間為15 h。

表2試驗(yàn)沙樣配比及強(qiáng)度

沙樣代號(hào)材料配比強(qiáng)度/kPa干沙水泥干土水1100.521.430240.521.45032.40.521.480

3.2　沖蝕試驗(yàn)條件

在一定的移動(dòng)速度和噴距下，對(duì)淹沒(méi)沙樣的沖蝕切割，獲得沖蝕深度和寬度，以此來(lái)評(píng)價(jià)噴嘴的作用效果。非淹沒(méi)狀態(tài)下射流形狀對(duì)比與沙樣試件見(jiàn)圖6。試驗(yàn)中沙樣試件的淹沒(méi)深度為0.2 m。試驗(yàn)水力參數(shù)控制以噴嘴壓降為準(zhǔn)，統(tǒng)一控制在1.5 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)泵壓條件一致。在相同壓降和噴嘴直徑下，因流量系數(shù)略低，旋流噴嘴的流量稍低于錐形噴嘴流量(試驗(yàn)中實(shí)測(cè)兩者相差8%)。

圖6　旋轉(zhuǎn)射流與錐形噴嘴射流的對(duì)比

3.3　沖蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)

(1)不同噴距下沖蝕效果的對(duì)比

對(duì)比考察S和C噴嘴不同射流隨噴距變化的沖蝕效果。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)無(wú)因次化(噴嘴直徑的倍數(shù))后的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。試驗(yàn)選用2號(hào)沙樣，見(jiàn)圖8。

圖7　不同噴距下兩種射流的沖蝕沙樣效果

圖8　旋轉(zhuǎn)射流(左)與錐形噴嘴射流(右)

圖7說(shuō)明，在試驗(yàn)條件下，噴距在3do～10do之間，沖蝕深度上，錐形噴嘴產(chǎn)生的直射流沖蝕深度較高于旋轉(zhuǎn)射流；但從在沖蝕寬度及沖蝕體積方面，旋流噴嘴的沖蝕效率更高，沖蝕寬度最高超出237%，沖蝕體積最高超出137%。

(2)不同沙樣強(qiáng)度下沖蝕效果的對(duì)比

選用三種不同強(qiáng)度的沙樣試件進(jìn)行試驗(yàn)，噴距為30 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)因次化后的變化規(guī)律見(jiàn)圖9。

圖9　不同沙樣強(qiáng)度下兩種射流的沖蝕效果

圖9表明，試驗(yàn)條件下，隨沙樣試件強(qiáng)度的增加，噴嘴S和噴嘴C產(chǎn)生的射流沖蝕效率都是降低的。相比錐形噴嘴產(chǎn)生的直射流，針對(duì)30 kPa、50 kPa、80 kPa強(qiáng)度的沙樣，旋流沖蝕體積分別超出25%、21%、11%。這說(shuō)明，針對(duì)較軟的土層，旋轉(zhuǎn)射流的優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。

3.4　挖溝機(jī)噴嘴布置間距

現(xiàn)場(chǎng)挖溝機(jī)沖蝕臂上采用排列式多噴嘴布置，合理選擇和布置噴嘴十分必要。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)相鄰兩道射流割縫之間的殘留沙墻寬度小到一定值時(shí)，殘留沙墻會(huì)被后期的擾動(dòng)沖蝕垮塌，對(duì)于不同強(qiáng)度的沙墻，最小余留寬度是不一樣的。根據(jù)試驗(yàn)，建議沖蝕割縫中間的沙墻余留寬度見(jiàn)表3。

表3殘余沙墻寬度

沙樣/kPa預(yù)留寬度/W噴嘴類(lèi)型沙墻寬度/do302～3錐形13.3～20旋流23～35501～1.5錐形4～6旋流9.7～14.5800.3～0.5錐形1.1～1.8旋流2～3.3

結(jié)合殘留沙墻寬度和割縫寬度，得到噴嘴的最大布置間距范圍，見(jiàn)表4。可見(jiàn)，旋流噴嘴組合的布置間距遠(yuǎn)大于錐形噴嘴組合。因而，將大大提高挖溝效率。

表4噴嘴組合最大間距布置

沙樣/kPa噴嘴組合方式最大間距/do30錐形-錐形20～27旋流-旋流35～4750錐形-錐形8～10旋流-旋流19～2480錐形-錐形4.8～5.5旋流-旋流8.6～10

4　結(jié)論

通過(guò)研究旋轉(zhuǎn)射流特點(diǎn)及對(duì)比試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬表明，噴距30do內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流沖擊域比錐形噴嘴直射流大一倍以上。

(2)不同噴距下沖蝕效果對(duì)比表明，小噴距下旋流的優(yōu)勢(shì)更明顯。對(duì)不同抗剪強(qiáng)度的沙樣沖蝕試驗(yàn)表明，沙樣強(qiáng)度越低，旋流的沖蝕效率優(yōu)勢(shì)越顯著。對(duì)于30 kPa的沙樣，旋流的沖蝕體積比錐形射流高出25%。

(3)基于試驗(yàn)給出了挖溝機(jī)布置噴嘴的間距建議范圍。