李軍營，王克文，梁浩新

天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

影響水力噴射式挖溝噴射強(qiáng)度的主要因素有軸流泵的流量、噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀尺寸及噴射角度等。采用分析工具對(duì)這些影響因素進(jìn)行優(yōu)化以完善挖溝機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高挖溝效率。依據(jù)已知潛水泵，設(shè)計(jì)合理的噴頭形狀以獲得最佳挖溝效果是研究的目的[1]。

1 項(xiàng)目基本情況

本項(xiàng)目地處南海，水深60～120 m，挖溝海底管道長度為12km，管道直徑13in（1in=25.4mm），附帶30 mm厚水泥配重層，挖溝深度為管頂距海床垂直距離1.2 m。土質(zhì)以砂土巖層土壤為主，土壤最大剪切強(qiáng)度為40 kPa。

基于現(xiàn)有QZB-10000型潛水泵進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)與優(yōu)化，水泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)的參數(shù)化

研究的噴嘴形狀有如下兩種，見圖1所示的直線縮頸壁和圖2所示的圓弧縮頸壁，與水泵的法蘭接口部分是相同的（本文研究的軸流泵出口直徑φ900 mm），圖1縮頸壁剖面呈直線，圖2縮頸壁剖面呈圓?。≧=2 500 mm）。

表1水泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以圖1的直線方案為研究對(duì)象，并對(duì)縮頸段高度L、直線段高度H、縮口直徑D等參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化分析，計(jì)算在相同額定流量條件下噴射水對(duì)海底土層的剪切強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合壓頭反求流量來修正邊界，找到流量、剪切強(qiáng)度最優(yōu)時(shí)的L、H及D值。當(dāng)參數(shù)初步確定后，通過ANSYS的DesignModeler模塊進(jìn)行建模，并導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行求解計(jì)算[2]。

圖1 直線（H段）縮頸壁

圖2 圓弧（H段）縮頸壁

（1）參數(shù)一，縮頸段高度L。以直管段高度1 m、縮口直徑0.7m為例，直管段使用固定長度，縮頸段高度L從0.4 m開始，每0.02 m增加一個(gè)算例，至0.625 m結(jié)束，共12個(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 縮頸高度L與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3可知：

且隨著L值的增大，剪切強(qiáng)度趨于減小，但減小的幅度比較小。

（2）參數(shù)二，縮口直徑D。以直管段高度1 m、縮頸高度0.4 m為例，以直徑D作為研究對(duì)象。直徑

由圖5可知：

即隨著H值的增大，剪切強(qiáng)度趨于增大，且增大的幅度比較小。

3 噴嘴的優(yōu)化計(jì)算方法

3.1 模型的建立

取噴嘴及出口以下水深10 m、直徑10 m的水域作為計(jì)算域，取二維截面作為計(jì)算模型，在FLUENT軟件中通過設(shè)置對(duì)稱軸來模擬三維模型。圖6是上述二維截面的計(jì)算模型，其中圖6（a）是全域的形狀，圖6（b）是圖6（a）紅框的局部放大圖，沿軸旋轉(zhuǎn)一周形成三維的噴嘴和水域范圍[3]。

圖7是網(wǎng)格示意圖。二維模型節(jié)省網(wǎng)格數(shù)，且網(wǎng)從0.7 m開始，每0.02 m增加一個(gè)算例，至0.88 m結(jié)束，共10個(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 縮口直徑D與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系

由圖4可知：

即隨著D值的增大，剪切強(qiáng)度趨于減小，且減小的幅度比較大。

圖5直線段長度H 與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 噴嘴及出口以下水域的二維計(jì)算模型

（3）參數(shù)三，直管段長度H。以縮口直徑0.6 m、縮頸高度1 m為例，直管段高度H分別取0.2、0.5、0.7、1 m，共4個(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見圖5。格質(zhì)量高，結(jié)果精度高，網(wǎng)格數(shù)約為3萬。圖7（a）是全域的網(wǎng)格圖，圖7（b）是圖7（a）紅框的局部放大圖。由于近壁面速度梯度大，所以在接近噴嘴壁面處做了邊界層網(wǎng)格。

圖7 二維截面網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算方法

計(jì)算介質(zhì)為海水，密度為1 025 kg/m3，黏度為1.003 mPa·s，在初步計(jì)算中不考慮海水深度溫度對(duì)于工質(zhì)的影響，即密度、黏度均為常數(shù)。邊界條件為流量入口、壓力出口。計(jì)算研究步驟如下：

（1）應(yīng)用相同的流量入口、壓力出口邊界條件，得到在同流量前提下的剪切強(qiáng)度、壓力沿程損失及壓頭。

（2）通過分析壓頭趨勢，根據(jù)水泵的性能曲線可以近似求得水泵的流量。

（3）結(jié)合新的流量再次對(duì)比不同噴頭形狀的剪切強(qiáng)度。

（4）得到不同參數(shù)的影響數(shù)據(jù)之后，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，找到合適的噴嘴形狀。

在相同的參數(shù)條件下，對(duì)比直線與圓弧噴嘴方案的剪切強(qiáng)度[4]。

4 優(yōu)化結(jié)果比較

4.1 噴嘴的直線與圓弧方案對(duì)比

取相同的直管段長度、縮頸高度及縮口直徑，只是將縮頸的直線段改成圓弧來進(jìn)行分析，方案一為直線縮頸，方案二為圓弧縮頸，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

方案一、二的剪切強(qiáng)度云圖如圖8所示。

由方案一、二的剪切強(qiáng)度計(jì)算云圖可知，方案一明顯優(yōu)于方案二，即直線縮頸方案明顯優(yōu)于圓弧縮頸方案。

表2噴嘴的直線與圓弧方案對(duì)比

圖8 方案一、二的剪切強(qiáng)度云圖/Pa

方案一的剪切強(qiáng)度計(jì)算等值線見圖9，值域范圍從40 kPa到81kPa，在等值線的范圍內(nèi)均可獲得大于40 kPa的剪切強(qiáng)度，中心的等值線是81kPa，最外是40 kPa等值線。

圖9 剪切強(qiáng)度等值線

4.2 最終優(yōu)化方案

此方案旨在計(jì)算出噴嘴距海床不同深度時(shí)，水對(duì)海底土層平均剪切強(qiáng)度約等于40 kPa時(shí)的噴口圓面直徑大小，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 最終優(yōu)化方案

由表3可知，隨著噴距越來越遠(yuǎn)，平均剪切強(qiáng)度等于40 kPa的圓面越來越小，因此應(yīng)該保證噴距以控制實(shí)際挖溝機(jī)噴出的溝壑直徑。得到的最優(yōu)結(jié)果即直線方案，見表2。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，首先應(yīng)該保證水泵工作點(diǎn)在效率最大附近，其次要求最大剪切強(qiáng)度以保證挖溝效果，同時(shí)縮頸直徑不能過小，因?yàn)檫^小的縮頸會(huì)造成縮頸壁上應(yīng)力過大，從而影響使用壽命。

另外還選擇了四組方案進(jìn)行綜合對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 四組方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

上述計(jì)算方法為，首先假設(shè)四種方案的流量均為額定流量10 000 m3/h，求解得出壓頭后，參考性能曲線估算大概流量，再通過估算的流量進(jìn)行修正，最后計(jì)算出相應(yīng)的剪切強(qiáng)度值。根據(jù)之前的算例經(jīng)驗(yàn)得出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：

（1）通過調(diào)整直管段長度可以微調(diào)壓頭。

（2）通過調(diào)整縮頸高度可以調(diào)整縮口角度，必須保證合理的角度，當(dāng)縮頸高度過低即角度過大時(shí)，噴嘴壽命受影響。

（3）通過調(diào)整縮口直徑滿足剪切強(qiáng)度要求。

最終我們確定的噴嘴結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸為，縮頸高度L取0.275 m，直管段長度H取0.825 m和縮口直徑D取0.6 m。設(shè)計(jì)的挖溝機(jī)噴嘴外型如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求；挖溝機(jī)噴嘴實(shí)際應(yīng)用后的溝形測量也表明，該噴嘴設(shè)計(jì)完全符合施工需求，見圖11。

圖10挖溝機(jī)噴嘴外型

圖11聲吶掃描U形溝圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過大量算例考核及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，基于ANSYS和FLUENT軟件進(jìn)行的非接觸式挖溝機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，均能滿足工程需求，用戶滿意度高。

[1]宋春娜，林守強(qiáng).非接觸式挖溝機(jī)在海管后挖溝中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2014（4）：83-85.

[2]李林海.半圓形導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)應(yīng)用分析[J].船海工程，2012（6）：27-29.

[3]白志剛，孟然.噴射式水下挖溝機(jī)沖刷試驗(yàn) [J].模具工業(yè)，2011（ 12）：35-38.

[4]李娜.粉砂淤泥質(zhì)海岸水流泥沙數(shù)學(xué)模型理論及工程應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2008.