挖溝機雙噴嘴沖擊射流的數(shù)值研究

摘" " 要：海底射流式挖溝機或疏浚設備的使用過程中涉及到雙噴嘴沖擊射流問題，揭示射流流場的演化規(guī)律有望對工程問題提供理論支持。使用CFD方法對二維雙噴嘴淹沒條件下射流沖擊固體壁面問題進行建模并求解，分析在不同射流靶距、噴嘴間距以及射流流速下流速場、沖擊區(qū)壓力及剪應力的分布特性。驗證算例表明，CFD方法可以獲得較好的預測結果。計算結果表明，噴嘴間距越小，沖擊區(qū)壓力分布越大；射流靶距減小時，射流壓力驟增，且在雙噴嘴之間會形成振蕩效應，讓沖擊區(qū)壓力及剪應力大小和位置發(fā)生波動。在實際工程中，應注意這種振蕩效應對機械運動穩(wěn)定性的影響。

關鍵詞：雙噴嘴；沖擊壓力特性；流場特性；CFD

Numerical study on double-nozzle impinging jet of trencher

ZHENG Qiuming YU Yinhai XUAN Yingjie LYU Weijun LAN Xuejie FAN Zeren

1. Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300461， China

2. School of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

Abstract：Double-nozzle impingingjet is involved in the use of underwater jet trenching machines or dredging equipment. Therefore，theoretical support for engineering problems could be provided if the evolution law of the jet flow field is revealed.In this study， a model was made and solved by the CFD method for the problem of jet impingement on solid walls in the condition of the two-dimensional double nozzle in submergence.This paper analyzed the effect of different impinging distances， nozzle spacing， and jet velocity on the flow velocity field as well as pressure and shear stress distribution in the impact area. The verified result shows that the proposed CFD methodcan achieve good prediction results. The calculation results indicate that pressure distribution in the impact area becomes greater if the nozzle spacing is smaller. When the impinging distance gets closer， the jet pressure suddenly increases.At the same time， an oscillation effect is formed between the two nozzles， causing fluctuations in the magnitude and position of pressure and shear stress in the impact area. In practical engineering， attention should be paid to the impact of this oscillation effect on the stability of mechanical motion.

Keywords：double-nozzle; impinging pressure; flow field; CFD

射流沖擊固體表面的現(xiàn)象在許多工程中廣泛出現(xiàn)，例如油漆噴涂、射流干燥工藝、電弧焊接以及飛機的垂直起降等[1]。在土木與水利領域，淹沒式水射流沖擊固體的問題也受到重視。一方面，水射流會導致結構物或土體的沖刷與侵蝕，這會讓結構物遭受短期或長期的失穩(wěn)威脅；另一方面，射流可被用于清淤、開溝等工程活動，這使得射流在航道疏浚、埋設管道等方面創(chuàng)造了極大的工程價值[2]。為此，學者們對沖擊射流流場結構開展了深入研究。比較早的研究可以追溯到上世紀六七十年代，Beltaos[3]以空氣為研究介質(zhì)，開展了二維平面及三維圓形噴嘴的沖擊射流試驗，對自由射流區(qū)及壁面射流區(qū)的流場分布、沖擊區(qū)壓力及剪應力分布進行測量并推導了相關預測公式。Cooper[4]進行了多組不同靶距下的湍流沖擊射流試驗，研究了沖擊射流的湍動特性以及換熱特性。Craft[5]對Cooper[4]的湍流沖擊射流試驗進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)使用兩方程渦黏模型和雷諾應力模型獲得的模擬結果差別較大，差別主要反映在對沖擊區(qū)湍流波動和努塞爾數(shù)的預測上。Tu[6]開展了多組不同靶距和雷諾數(shù)下的沖擊射流試驗，總結了沖擊壓力及剪應力的歸一化規(guī)律。張穎翀[7]通過數(shù)值模擬和PIV試驗研究了不同沖擊高度 H/D 對斜向淹沒沖擊射流的影響，發(fā)現(xiàn)改變沖擊高度會導致射流結構發(fā)生變化。

從以上文獻可見，前人的研究主要以空氣介質(zhì)為主，且多針對單噴嘴的射流熱交換特性開展研究，而在清淤或開溝問題中，射流機械一般是多噴嘴的，現(xiàn)有文獻鮮有報道關于多噴嘴水射流的流場分析。故本文擬針對雙噴嘴淹沒式水射流沖擊壁面的流場分布特性開展研究，探究沖擊靶距、噴嘴間距以及射流流速對流場分布、沖擊區(qū)壓力及剪應力分布的影響，以期為水利和土木工程中涉及的侵蝕問題提供指導。

1" " 數(shù)值方法及模型

多噴嘴沖擊射流比單噴嘴復雜程度更高，采用物理試驗的方法難以對其流場特性進行瞬態(tài)捕捉。數(shù)值模擬方法可以實時監(jiān)測流場分布情況，捕捉流場瞬態(tài)演化過程，觀測到一些實驗中不容易觀測到的流動現(xiàn)象，在工程領域已成為重要的科學研究手段。本文采用商用軟件ANSYS CFX2022R1對二維淹沒式水射流沖擊剛性壁面的全過程進行瞬態(tài)模擬。

1.1" " 控制方程

1.2" " 數(shù)值方法驗證

在探究多噴嘴沖擊射流流場特性前，首先對本文所采用的數(shù)值方法進行模型驗證。Tu開展了二維單噴嘴垂直沖擊射流試驗并測量了沖擊區(qū)壓力和剪應力分布特性。本文建立數(shù)值模型，復用其試驗參數(shù)，即噴嘴直徑D=6.4 mm，Re=11 000， 靶距為4D。使用無量綱形式進行數(shù)值結果與試驗結果的對比，無量綱剪應力形式為200 [τ]/（[ρ]vj2），無量綱壓力形式為2 p/（[ρ]vj2），結果如圖1所示。

從圖 1中可見，CFX模擬的壓力及剪應力分布情況和試驗測量結果吻合度良好，可以用于后續(xù)研究分析。

1.3" " 數(shù)值模型及工況

本文主要探究靶距、噴嘴間距以及射速對射流流場的影響。所有計算案例見表 1。

模型厚度方向僅有1個單元，0.01 m，以模擬二維情況；模型總寬10 m，高6 m，全域采用1/8D大小的結構性六面體網(wǎng)格。為方便后續(xù)分析，將左側(cè)噴嘴命名為1號噴嘴，其中軸命名為1號噴嘴中軸；右側(cè)噴嘴命名為2號噴嘴，其中軸命名為2號噴嘴中軸，兩噴嘴的對稱軸，即全域的左右對稱軸位置，命名為中心對稱軸。

2" " 結果分析

2.1" " 基本工況結果分析

首先對基本工況的流速矢量場進行分析。從圖 3可見，射流首先從噴嘴射出，每股射流都卷吸周圍的靜水產(chǎn)生運動，此時噴嘴中軸位置處流速大，兩側(cè)有明顯對稱分布的旋渦形成。發(fā)展至1.0 s時，由于兩噴嘴相隔較近，噴嘴中間的旋渦被抑制，外側(cè)旋渦逐漸隨著周圍靜水的卷吸而變大。噴射至3.0 s時，卷吸作用導致噴嘴外側(cè)的旋渦進一步增大，此時增大的旋渦為左側(cè)順時針，右側(cè)逆時針發(fā)展，由于兩噴嘴中間的水流被卷吸進入主射流，導致兩噴嘴中間環(huán)境水出現(xiàn)向勢性核發(fā)展的流速、壓強明顯降低，而由于噴嘴左右兩側(cè)空間較大，壓強并未明顯下降，由此導致了兩勢性核被壓差擠壓靠近。當t=5.0 s時，勢性核充分發(fā)展，射流前端到達底板，此時明顯可見射流由豎向轉(zhuǎn)向左右兩側(cè)反向發(fā)展，中心對稱軸位置幾乎沒有流速。隨后，兩噴嘴外側(cè)旋渦逐漸向邊壁移動，至12.0 s時，射流達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時兩個主旋渦均已移出計算域，勢性核由于中心對稱軸壓力較低的原因，一直保持向內(nèi)擠壓的狀態(tài)。對比單噴嘴淹沒沖擊射流而言，雙噴嘴工況下，由于兩噴嘴之間相互影響，最終射流方向均向外側(cè)發(fā)展，這與單噴嘴工況下沿噴嘴軸對稱發(fā)展的情況截然不同。此外，由于噴嘴間距小和靶距大的原因，并未在中心對稱軸位置形成噴泉抬升流。

2.2" " 噴嘴間距的影響

圖 4是沖擊靶距H=24D、射速vj=6 m/s、噴嘴間距S=0.8/1.0/1.2 m時的沖擊區(qū)壁面壓力分布情況。橫軸為x坐標，以中心對稱軸為原點。從圖4可以看出噴嘴間距越小，中心對稱軸處的壓強越大，且壓力在x方向衰減較快?？梢韵胂螽攪娮扉g距足夠小時，將趨近于單噴嘴射流情況；噴嘴間距越大，中心對稱軸位置壓強降低，射流壓力峰值向噴嘴外側(cè)移動。

圖5為不同噴嘴間距對應的沖擊區(qū)壁面剪應力分布情況。中心對稱軸位置（即圖5中的原點）為剪應力零點，對于間距S較小的工況，剪應力峰值最貼近原點，當間距增大時，剪應力峰值降低，且向兩側(cè)移動。同時可以注意到，對于S=1.0 m、1.2 m的工況，在原點附近有較小的剪應力升降過程，這是因為當噴嘴間距增大時，在沖擊壁面附近有部分射流向中心對稱軸發(fā)展并碰撞。假設當噴嘴間距繼續(xù)增大時，這個小突起將更加明顯。

2.3" " 射流射速的影響

圖 6是不同射速下沖擊區(qū)壁面壓力對比?？梢娫趦蓢娮熘虚g位置出現(xiàn)峰值平臺，射流流速為10 m/s時，平臺下凹；流速為6 m/s時，平臺上凸，總體變化并不大，且平臺寬度基本不變，這說明影響平臺寬度的唯一變量為噴嘴間距。

2.4" " 射流靶距的影響

圖 7為不同射流靶距下沖擊壁面壓力分布情況。明顯可見靶距越小時沖擊壓力越大，且壓力分布非常集中，沖擊區(qū)壓力梯度極大。圖8為剪應力分布情況。按照一般規(guī)律，靶距越小，剪應力和壓力都應該越大，但是圖8中H=4D工況下剪應力峰值小于H=12D工況，且從圖7和圖8都可見靶距極小時曲線出現(xiàn)明顯波動，這可以從射流速度云圖（見圖9）來分析原因。當靶距極小時，兩股射流沖擊到平板形成壁面射流，壁面射流在中心對稱軸位置相聚形成噴泉抬升流，這種作用在多個文獻中都有提及[8]，向上發(fā)展的噴泉抬升流在形成初期保持穩(wěn)定，但是隨意的微小擾動就會使其發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)，由于兩噴嘴之間空間較小，抬升流偏轉(zhuǎn)后在兩噴管壁面之間來回碰撞，發(fā)生振蕩，只有當噴嘴射流停止時振蕩才會消失。這就解釋了為何在沖擊區(qū)及壁面射流區(qū)應力發(fā)生波動。在工程實際中，為了提高沖擊壓力，一般都會采用小靶距射流方案，此時需要注意這種振蕩對射流挖溝機穩(wěn)定性的影響。

3" " 結論

在港口航道疏浚工況及海底管溝開溝工程中，常使用雙噴嘴射流疏浚設備。研究噴嘴射流流場及沖擊壓力、剪應力等分布情況可為工程應用提供理論基礎。本文采用CFD數(shù)值分析方法對二維雙噴嘴淹沒式?jīng)_擊射流過程進行建模，分析得到以下結論：

1）噴嘴間距越小，沖擊區(qū)壓力及剪應力越大，壓力分布越集中；

2）改變射流射速并不會影響沖擊區(qū)壓力平臺的寬度；

3）靶距減小到一定程度（H=4D）后，沖擊壓力向中心對稱軸收縮，數(shù)值急劇增加，且產(chǎn)生明顯振蕩效應。

參考文獻

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基金項目：

國家自然科學基金重點項目《射流式自行走水下開溝原理與關鍵技術研究》（52231011）。

作者簡介：

鄭秋明（1984—），男，河北衡水人，高級工程師，2008年畢業(yè)于大連理工大學化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事海底管纜鋪設、預調(diào)式、維搶修方向的研究。Email：zhengqm6@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-05-09