噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)耙吸挖泥船高壓沖水性能影響的試驗(yàn)研究

張戟，文武，藺永學(xué)，尹紀(jì)富，洪國(guó)軍

（1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208；3.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司，上海 201208）

0 引言

高壓沖水是耙吸挖泥船疏浚施工的重要輔助設(shè)備之一，在疏浚過(guò)程中，可通過(guò)高壓沖水系統(tǒng)對(duì)水下泥土進(jìn)行沖刷、疏松，達(dá)到提高耙吸挖泥船疏浚效率的目的[1-2]。特別是近些年來(lái)，隨著耙吸挖泥船向大型化和大挖深方向發(fā)展，耙頭高壓沖水的作用變得更加重要。

耙吸挖泥船高壓沖水系統(tǒng)一般是由高壓沖水泵、管路、水箱和高壓噴嘴等諸多部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個(gè)部件均會(huì)對(duì)高壓沖水的沖刷效率產(chǎn)生重要的影響，因此，通過(guò)對(duì)高壓沖水各影響因素進(jìn)行全面細(xì)致的研究對(duì)耙吸挖泥船高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疏浚施工具有重要的指導(dǎo)意義。

高壓噴嘴在一定的沖水壓力下，其射流動(dòng)能越大，噴射能力就越強(qiáng)，沖刷和疏松泥土的能力也就越大，對(duì)于耙吸挖泥船高壓沖水的性能，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展過(guò)相關(guān)的研究[3-9]，然而，耙吸挖泥船疏浚施工過(guò)程中的高壓沖水系統(tǒng)仍存在許多爭(zhēng)論性的問(wèn)題需要解決，如噴嘴的出口壓力、噴嘴的錐角、直管段長(zhǎng)度、噴嘴對(duì)泥面的噴射角度等。

鑒于此，本文針對(duì)耙吸挖泥船常用噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，在中交疏浚技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能風(fēng)浪流水槽試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展了不同錐角、不同直管段長(zhǎng)度噴嘴的高壓沖水性能試驗(yàn)研究，探究錐角和直管段長(zhǎng)度對(duì)噴嘴射流特性的影響作用，為耙吸挖泥船高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與疏浚施工提供重要的參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)在中交疏浚技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室古翠路基地多功能風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中采用原型單個(gè)噴嘴進(jìn)行高壓沖水性能的試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 高壓噴嘴性能研究試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high pressure nozzle performance research test bench

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)分別研究了噴嘴錐角茲和直管段長(zhǎng)度L對(duì)射流特性的影響。對(duì)于高壓噴嘴的錐角，主要針對(duì)目前耙吸挖泥船較為常用的噴嘴錐角開(kāi)展相關(guān)的研究。噴嘴模型的出口直徑為17 mm，錐角茲 分別為13°錐角、18°錐角和23°錐角。3 個(gè)錐角噴嘴的內(nèi)流道及樣品如圖2 所示。

圖2 不同錐度噴嘴的內(nèi)流道與樣品圖Fig.2 Diagram of internal flow passage and sample of nozzles with different tapers

對(duì)于噴嘴直管段長(zhǎng)度L 對(duì)高壓沖水射流特性影響的研究，選取了出口直徑17 mm、錐度13°，直管段長(zhǎng)度L 分別為1D、2D、3D、4D 和5D 等5個(gè)噴嘴模型（D 為噴嘴的出口直徑）進(jìn)行研究，不同直管段長(zhǎng)度的噴嘴內(nèi)流道如圖3 所示。

圖3 不同直管段長(zhǎng)度噴嘴內(nèi)流道（mm）Fig.3 Internal flow passage of nozzles with different length of straight pipe section(mm)

3 結(jié)果及分析

3.1 噴嘴錐度對(duì)射流特性的影響

試驗(yàn)選取了13°錐角、18°錐角和23°錐角等3個(gè)錐角的噴嘴開(kāi)展高壓沖水特性試驗(yàn)。除錐角不同外，其他試驗(yàn)條件均相同，噴嘴出口壓力均采用1.6 MPa。

試驗(yàn)過(guò)程中采用高清相機(jī)在相同位置對(duì)3 個(gè)不同錐角噴嘴的射流特性進(jìn)行拍攝。圖4 所示為3 個(gè)不同錐角噴嘴的射流特性對(duì)比圖。就直觀性來(lái)看，13°錐角的射流水流更加集中，23°錐角噴嘴的射流水流散射相對(duì)較為明顯，18°錐角的射流水流介于13°錐角和23°錐角之間。

圖4 不同錐角噴嘴射流擴(kuò)散角和擴(kuò)散寬度測(cè)量Fig.4 Measurement of jet diffusion angle and diffusion width of nozzles with different cone angles

為了更加清晰地顯示不同錐角噴嘴射流的擴(kuò)散范圍，研究其顯著差異，對(duì)3 個(gè)錐角噴嘴的射流水流進(jìn)行定量化處理，即測(cè)量了噴嘴射流水流的擴(kuò)散角茲1 和5D 射流距離處的擴(kuò)散寬度L1進(jìn)行分析，圖4 中所標(biāo)示的數(shù)據(jù)為測(cè)量所得實(shí)際數(shù)據(jù)。

從圖4 中所示數(shù)據(jù)可以看出，噴嘴射流的擴(kuò)散角茲1 和5D 射流距離處的擴(kuò)散寬度L1均隨著噴嘴錐角茲的增大而增大，且均呈現(xiàn)出線性的變化關(guān)系。

綜上所述，在所研究的3 個(gè)錐度的噴嘴中，13°錐角噴嘴的擴(kuò)散范圍更小，水柱更集中，更有利于泥土的切削。因此，13°錐角噴嘴的評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)，其次為18°錐角的噴嘴，23°錐角噴嘴的評(píng)價(jià)最差。

3.2 噴嘴直管段長(zhǎng)度對(duì)射流特性的影響

對(duì)于直管段長(zhǎng)度L 對(duì)高壓沖水特性的影響，選取了直管段長(zhǎng)度L 分別為1D、2D、3D、4D 和5D 等5 個(gè)噴嘴模型進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，除直管段長(zhǎng)度不同外，其他試驗(yàn)條件均相同，噴嘴出口壓力均采用1.6 MPa。

試驗(yàn)過(guò)程中同樣采用高清相機(jī)在相同位置對(duì)5 個(gè)不同直管段長(zhǎng)度噴嘴的射流水流特性進(jìn)行拍攝，并對(duì)噴嘴射流水流的擴(kuò)散角茲1 和5D 射流距離處的擴(kuò)散寬度L1進(jìn)行測(cè)量和分析。

表1 給出了5 個(gè)不同直管段長(zhǎng)度噴嘴的射流水流擴(kuò)散角茲1 和5D 射流距離處擴(kuò)散寬度L1的測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1 中可以看出，對(duì)于不同直管段長(zhǎng)度的噴嘴，其射流水流擴(kuò)散角茲1 和5D射流距離處的擴(kuò)散寬度L1均先隨著直管段長(zhǎng)度L的增大迅速減小，高壓沖水的射流集中度迅速增大；當(dāng)直管段長(zhǎng)度大于3D 之后，擴(kuò)散角茲1 和擴(kuò)散寬度L1的變化量和變化速率變得很小。

表1 噴嘴直管段長(zhǎng)度評(píng)價(jià)Table 1 Evaluation of nozzle straight pipe length

綜上分析，直管段長(zhǎng)度為1D 和2D 時(shí)的擴(kuò)散角和擴(kuò)散范圍均大于3D~5D 直管段長(zhǎng)度的噴嘴，且3D~5D 直管段長(zhǎng)度的噴嘴的擴(kuò)散角和擴(kuò)散范圍相差較小，即當(dāng)直管段長(zhǎng)度為1D 和2D 時(shí)，高壓沖水的散射效應(yīng)較為明顯，而當(dāng)直管段長(zhǎng)度為3D~5D 時(shí)，高壓沖水的射流集中度較高。因此，施工過(guò)程中推薦使用直管段長(zhǎng)度為3D~5D 的噴嘴，能夠更好地發(fā)揮高壓沖水的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在中國(guó)交建疏浚技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了不同錐角和不同直管段長(zhǎng)度噴嘴的射流特性的試驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)對(duì)比與分析可得到如下結(jié)論。

1）對(duì)比研究了13°錐角、18°錐角和23°錐角等3 個(gè)噴嘴的射流特性，根據(jù)擴(kuò)散角和5D 射流距離處的擴(kuò)散寬度可看出，13°錐角噴嘴的射流性能最優(yōu)，18°錐角噴嘴的射流性能次之，23°錐角噴嘴的射流性能最差。

2）對(duì)比分析5 個(gè)不同直管段長(zhǎng)度的噴嘴，直管段長(zhǎng)度1D 和2D 噴嘴射流的擴(kuò)散角和擴(kuò)散寬度均大于3D~5D 直管段長(zhǎng)度的噴嘴，且3D~5D 直管段長(zhǎng)度噴嘴的擴(kuò)散角和擴(kuò)散寬度相差較小。因此，推薦使用直管段長(zhǎng)度為3D~5D 的噴嘴，能夠更好地發(fā)揮高壓沖水的作用。