耙頭高壓沖水噴嘴流場數(shù)值模擬及分析

陳 浩，孫守勝，郭志勇

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

高壓沖水在市政和煤礦行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，一般用來清理市政污泥、開挖電纜溝槽或采掘煤礦。隨著疏浚行業(yè)對高壓沖水技術(shù)研究的逐步開展，出現(xiàn)了一些應(yīng)用高壓沖水來破土的機(jī)具，并且取得了較好的效果，各大疏浚公司均在自己的耙吸挖掘機(jī)具上應(yīng)用了該技術(shù)。荷蘭IHC公司率先將高壓沖水應(yīng)用在耙頭上，提高了耙吸挖泥船疏挖一些難挖土質(zhì)的施工效率。近些年來，由于底泥疏挖愈發(fā)困難，各大公司相繼開展了各類相關(guān)研究，如沖水破土試驗(yàn)研究、沖水性能數(shù)值仿真分析等，均是驗(yàn)證高壓沖水破土的機(jī)理和真實(shí)效果。

關(guān)于高壓沖水技術(shù)的相關(guān)研究，田忠[1]通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方式對射流的沖擊壓強(qiáng)進(jìn)行了研究；林風(fēng)等[2]研究耙頭水箱的入流形式、內(nèi)部流場和噴嘴出流對高壓沖水效率的影響；樹偉等[3]開展高壓沖水噴嘴的安裝位置和射流方向的理論研究和模型試驗(yàn)，提高了噴嘴射流的破土能力；沈偉平等[4]通過改進(jìn)耙頭高壓沖水，提高耙頭疏挖黃驊航道板結(jié)粉土施工效率。

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析在淹沒情況下噴嘴出口射流的壓強(qiáng)變化情況，為噴嘴的設(shè)計(jì)提供一定理論參考。

1 耙頭高壓沖水噴嘴

耙吸挖泥船耙頭上配置有高壓沖水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高壓水泵、管路、水箱和噴嘴組成。其中噴嘴為耙頭上重要的輔助挖掘設(shè)備，其內(nèi)部流經(jīng)有一定壓力的高速射流。噴嘴過流面積較小，通過噴嘴將水的壓力勢能轉(zhuǎn)換為速度動能，形成較高流速的噴射水流沖刷耙頭底部泥床，達(dá)到液化、疏松泥土的目的，增加耙頭破土量，降低耙頭挖掘阻力，提高耙吸挖泥船施工生產(chǎn)效率。噴嘴直徑、靶距、噴射角度和射流速度與水經(jīng)過噴嘴噴出后沖刷土體的壓力之間存在怎樣的關(guān)系、對沖刷效果產(chǎn)生怎樣的影響，這些問題對噴嘴的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。一般針對耙吸挖泥船施工而言，其高壓沖水所關(guān)注的主要變量參數(shù)見圖1。

注：v1為噴嘴移動速度；v2為射流速度；θ為噴嘴對地角度；h為靶距。

2 二維造型與數(shù)值計(jì)算模擬

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算方法及模型參數(shù)

為了提高計(jì)算效率，同時(shí)考慮噴嘴流態(tài)的對稱性，采用二維對稱面技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算選取3種直徑(d=10、16、20 mm)噴嘴作為數(shù)值模型，噴嘴進(jìn)出口前后設(shè)置一定大小的水域來減小數(shù)值模擬誤差。變量參數(shù)為噴嘴對地角度、靶距、噴嘴直徑和射流速度。噴嘴流場計(jì)算見圖2。為了能準(zhǔn)確模擬出噴嘴流場，建立模型時(shí)，在噴嘴進(jìn)口外流場區(qū)域(A區(qū)域)做加大處理，模擬安裝噴嘴的水箱；B區(qū)域?yàn)閲娮欤凑諏?shí)際尺寸進(jìn)行建模，為了簡化計(jì)算，取噴嘴對稱的一半進(jìn)行模擬；在噴嘴出口外流場區(qū)域(C區(qū)域)也進(jìn)行了加大處理，模擬耙腔內(nèi)或耐磨塊處敞開水域；h為噴嘴距離泥面距離，按照軟件計(jì)算距離泥面一定距離的淹沒射流壓力。

圖2 噴嘴流場計(jì)算

2.2 二維建模及網(wǎng)格劃分

建立噴嘴和周圍水體二維網(wǎng)格，噴嘴進(jìn)口水域?yàn)?0 mm×50 mm，噴嘴出口水域?yàn)?50 mm×50 mm。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)量為81 972，見圖3。

圖3 計(jì)算流場局部網(wǎng)格

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算控制方程

高壓沖水噴嘴外的流場屬于定常不可壓縮黏性流動，其N-S方程為：

連續(xù)性方程

(1)

動量守恒方程

(2)

式中：t為時(shí)間；ρ為密度；ν為運(yùn)動黏度；Ui、Uj為瞬時(shí)速度分量；xi、xj為空間坐標(biāo)(i=1，2，3和j=1，2，3分別代表x、y、z)；p為壓力[5]。

(3)

(4)

在k方程耗散項(xiàng)中的湍流尺度參數(shù)Ik-ω的表達(dá)式為：

(5)

式中：βk為模型常數(shù)，取0.09。

2.4 邊界條件與求解方法

假定研究的流體近似為不可壓縮流體，周圍流場為靜止流場，周圍流體為水，流體為連續(xù)介質(zhì)。模型入口為速度入口，出口為自由出流。方程離散方式為有限體積法，速度與壓力耦合方法選擇SIMPLE算法，梯度項(xiàng)差分方法采用Least Squares Cell Based方法，壓力項(xiàng)差分方法采用Standard方法，動量項(xiàng)、湍動能項(xiàng)，湍流耗散項(xiàng)和能量項(xiàng)均采用Second Order Upwind方法。采用壓力速度耦合的半隱式求解，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 噴嘴無移動情況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

1)第1組數(shù)值模擬的工況為3種噴嘴直徑、5種噴嘴出口射流速度下出口壓力值，見表1。

由表1可知，在噴嘴射流進(jìn)口速度相同的情況下，噴嘴出口直徑越大則泥面受到的壓力越大。經(jīng)過計(jì)算得到，當(dāng)噴嘴出口直徑不變的情況下，當(dāng)射流速度由36 m/s增大到45 m/s時(shí)，泥面受到的壓力值增大56.4%；當(dāng)射流速度由45 m/s增大到60 m/s時(shí)，泥面受到的壓力值增大77.7%；當(dāng)射流速度由60 m/s增大到70 m/s時(shí)，泥面受到的壓力值增大36%；當(dāng)射流速度由70 m/s增大到80 m/s時(shí)，泥面受到的壓力值增大30.6%。

表1 3種噴嘴直徑下不同射流速度噴嘴出口壓力

2)第2組數(shù)值模擬16 mm噴嘴直徑3種流速、5種不同靶距下的出口壓力值，見表2。

表2 3種射流速度下不同靶距噴嘴出口壓力

由表2可知，當(dāng)噴嘴大小和射流速度一定時(shí)，靶距越大則泥面受到的壓力越小。經(jīng)過計(jì)算得到，當(dāng)噴嘴出口直徑不變的情況下，當(dāng)靶距由0增大到30 mm時(shí)，泥面受到的壓力值減小11.55%；當(dāng)靶距由30 mm增大到60 mm時(shí)，泥面受到的壓力值減小12.35%；當(dāng)靶距由60 mm增大到90 mm時(shí)，泥面受到的壓力值減小12.53%；當(dāng)靶距由90 mm增大到130 mm時(shí)，泥面受到的壓力值減小18.58%；當(dāng)靶距為130 mm時(shí)，泥面受到的壓力值較靶距為0 mm時(shí)減少44.85%。

3)第3組數(shù)值模擬工況為16 mm噴嘴直徑在2種流速下、3種不同噴射角度出口壓力值，見表3。

表3 不同噴射角度下噴嘴出口壓力

由表3可知，噴射角度的變化對噴嘴的噴射壓力影響不大，不同噴射角度下噴嘴出口壓力值相差僅10 kPa，從壓力作用于土體表面的角度來看，噴射角度的減小影響了作用于土體內(nèi)部的作用力；但從射流是否能從土體中出來的角度來看，90°射流沖刷的情況下不利于被破壞土體從未破壞土體中出來，從相關(guān)研究報(bào)告[6]來看，60°較為合適。

4)第4組數(shù)值模擬工況為噴嘴射流速度36 m/s、噴射角度90°、靶距0 mm時(shí)3種不同噴嘴直徑，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分別得到靜壓和動壓。

圖4為3種不同噴嘴出口直徑計(jì)算得到的截面靜壓，從圖4可以看出水的壓力經(jīng)過噴嘴時(shí)迅速減小，此時(shí)水的壓力勢能大部分轉(zhuǎn)化為水的速度動能，形成了一定速度的高速水流沖刷泥床。噴嘴直徑d=10 mm時(shí)，靜壓在縮口段呈遞減趨勢降低，在噴嘴縮口段和直管段過渡處靜壓迅速降低；噴嘴直徑為16和20 mm時(shí)，在縮口段和直管段內(nèi)，靜壓呈逐步降低趨勢，但相較于10 mm噴嘴時(shí)靜壓下降幅度低。

圖4 出口靜壓力分布

圖5為3種不同噴嘴出口直徑計(jì)算得到的截面動壓力分布，可以看出3種噴嘴直徑情況下噴嘴直管段水的動壓力值最高，并可以把最大動壓力值保持到噴嘴出口，隨著噴射距離的增大動壓力值逐漸降低。

圖5 出口動壓力分布

3.2 噴嘴移動情況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

利用軟件進(jìn)行二維造型，噴嘴前端水域?yàn)?0 mm×50 mm，噴嘴直徑同上節(jié)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)量為829 316，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為414 652。數(shù)值模型邊界條件為速度進(jìn)口，出口條件為自由出流和壁面邊界。數(shù)值模擬中，速度與壓力的耦合采用SIMPLE方法，動量方程的離散采用邊界上的二階迎風(fēng)格式。絕對殘差收斂判定準(zhǔn)則設(shè)置為0.000 01，迭代計(jì)算步數(shù)為5 000步。

兩種噴嘴直徑、3種噴嘴移動速度下出口壓力值見表4，當(dāng)射流速度不變、噴嘴移動速度為1.5、2、2.5 kn的3種情況下，泥面受到壓力變化不大。

表4 兩種噴嘴直徑、不同移動速度噴嘴出口壓力

由圖6可知，由于噴嘴的移動，導(dǎo)致高壓噴嘴射流方向向噴嘴移動反方向偏移。隨著靶距的增加，泥面受到的水的動壓值逐漸減小。出口管徑d=10 mm時(shí)，噴嘴內(nèi)的能量損失較少，對泥面的沖擊力較大；出口管徑d=16 mm時(shí)，水在噴嘴內(nèi)流動時(shí)的動壓損失較大。

圖6 噴嘴移動情況下不同直徑噴嘴出口壓力分布

4 結(jié)論

1)噴嘴進(jìn)口速度及其他參數(shù)相同的情況下，由于噴嘴處局部阻力的影響，噴嘴直徑越大，泥面承受的射流壓力略微增加。

2)噴嘴射流壓力對靶距的敏感性較高，靶距增加至噴嘴直徑的8倍時(shí)，射流壓力下降近一半。

3)在噴嘴進(jìn)口尺寸相同的情況下，隨著噴嘴直徑增大，噴嘴內(nèi)部出現(xiàn)低壓區(qū)，影響射流的能量傳遞。

4)射流噴射角度僅從射流壓力來看，90°為最佳角度；但從破土量角度來看，60°噴射角度較好，利于被破壞土體的移動。

5)噴嘴射流壓力隨射流速度增加而增加，對噴嘴移動速度的敏感性較低。破土與否主要與射流的作用時(shí)間和射流壓力有關(guān)，得到射流壓力后可將其與相關(guān)軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，分析在不同時(shí)間步下壓力射流破壞土體的實(shí)際作用效果。