沈留陽

（江蘇科技大學(xué) 機電與動力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

1 噴嘴結(jié)構(gòu)選取

水力沖射式海底挖溝機的噴嘴種類繁多如：旋轉(zhuǎn)噴嘴、錐形噴嘴、扇形噴嘴等。而錐形噴嘴是最為主要的噴嘴，所以選定錐形噴嘴如圖1所示。根據(jù)前人對于海底挖溝機噴嘴的研究，我們最終確定的噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸為，縮頸高度L取0.275m，直管段長度H取0.825m和縮口直徑D取0.6m。

圖1 錐形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 噴嘴優(yōu)化計算方法

為了研究噴嘴不同噴射角度對管溝清潔的影響，本文根據(jù)流體力學(xué)理論對不同噴射角度進行數(shù)值計算和分析，得出最終的優(yōu)化結(jié)果。

2.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

圖2 射流與壁面夾角示意圖

首先通過solidworks畫出噴嘴的三維模型，噴嘴射流和壁面的夾角如圖2所示，其中噴射角度θ分別為90°、75°、60°和45°。然后將建好的幾何模型在ANYSYS Workbench中生成網(wǎng)格，這里的模型采用三角形網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，該模型共劃分有298109個網(wǎng)格。由于水流從噴嘴加速進入到外部流場的過程中，水流的壓力、速度等會產(chǎn)生明顯的變化，所以在劃分網(wǎng)格時，要加密處理噴嘴出口處的網(wǎng)格，同時對內(nèi)部流場近壁網(wǎng)格也要進行加密處理。

2.2 求解器和物理模型的選擇

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中，選擇基于壓力求解器。然后選擇物理模型。由于噴嘴的射流流速很快，屬于典型的湍流模型。因此這里采用目前工程中使用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型是由湍動能k和耗散率ε兩個基本的未知量所組成，與之對應(yīng)的方程為：

圖3 不同噴射角度下的壓力場和速度場云圖

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能；Gb為由于浮力影響引起的湍流動能；Ym為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

湍流黏性系數(shù)公式：

式中：Cμ黏性擴散系數(shù)，；k湍動能，普朗克數(shù)為δk=1.0；δ為耗散率，湍流普朗克數(shù)為δε=1.3。

2.3 邊界條件的定義

噴嘴處于密度1025kg/m3、黏度1.003MPa·s、深40m的海水中。且水泵提供的壓力為1.4MPa。故定義入口壓力為1.4MPa，計算得到出口壓力為0.4MPa。隨后選用coupled算法進行迭代計算，如殘差設(shè)置的比較低，這樣最終的仿真結(jié)果才準(zhǔn)確，仿真精度才比較高。這里的殘差設(shè)置為10-3，迭代步數(shù)設(shè)置為1000步。迭代500步后，殘差小于10-3，并且結(jié)果穩(wěn)定，這時迭代結(jié)束。最后觀察迭代結(jié)果，導(dǎo)出壁面的壓力、速度云圖。

3 流場仿真及數(shù)值結(jié)果分析

為了求出射流在不同角度下開溝的情況，該仿真選定噴射角度θ分別為90°、75°、60°和45°時，射流對海底土壤的壓力和速度云圖，如圖3所示。

通過將在Fluent中得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Tecplot中可繪制出當(dāng)噴射角度θ在45°、60°、75°和90°情況下的錐形噴嘴水射流對壁面沖擊壓力的變化曲線圖，見圖4。

通過分析可知：

（1）當(dāng)噴射角為90°的時候，雖然高壓水射流對壁面產(chǎn)生了很大的壓力，但是從速度云圖中可以看出由于中間射流的射流速度大，當(dāng)射流垂直噴射到海底土壤時，部分射流會反彈起來與噴嘴噴射出來的水射流的速度和能量發(fā)生抵消，從而使得噴嘴直接面對的地方缺少剪切應(yīng)力，不能很好的帶走管溝內(nèi)的土壤。所以當(dāng)噴嘴與壁面有一定的夾角時，便會減小射流的反射從而增大剪切應(yīng)力。與此同時，噴嘴傾斜噴射時，噴嘴前進方向上的剪切壓力的范圍增大，更有利于提高管溝的清潔。

圖4 不同噴射角度下射流對壁面的沖擊壓力的變化曲線

（2）從這幾組數(shù)據(jù)可以比較出，當(dāng)噴射角為75°時，噴嘴噴射出來的射流對壁面作用有更高的壓力，有利于在海底開溝，提高開溝的效率。并且使開出來的管溝更加清潔，質(zhì)量更高。這也說明了當(dāng)在只改變噴射角度的情況下，噴嘴與壁面夾角為75°時，可認為壁面受力最大，破土效果較好。

4 結(jié)語

本文通過對海底挖溝機的噴嘴噴射角度的研究，以獲得最佳的噴射角度，從而獲得高質(zhì)量的管溝。在文中運用Fluent軟件對選定的噴嘴進行數(shù)值模擬分析。通過研究在不同噴射角度下噴嘴射流對壁面的作用得出外部流場的壓力和速度云圖，運用分析結(jié)果得出在不同噴射角度下噴嘴的射流對壁面作用后的壓力和速度的變化情況，并對不同噴射角度下高壓射流沖擊壁面時的壓力變化曲線進行對比分析。分析得出：在只改變噴嘴的噴射角度的情況下，噴射角度為75°的錐形噴嘴產(chǎn)生的水射流有很好的破土效果，并且可以得到預(yù)期的高質(zhì)量管溝。