吸盤式挖泥船高壓沖水系統(tǒng)噴嘴形式研究

王初龍，馮 峰，周濤濤，袁 威

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001;2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢430064)

吸盤式挖泥船的吸盤一般都帶有由入流管道、水箱和噴嘴組成的高壓沖水系統(tǒng)。在施工過程中利用該噴射系統(tǒng)的水流對待挖泥土進(jìn)行沖刷和疏松，為接下來吸盤的挖掘進(jìn)行預(yù)處理來提高施工效率。因此，高壓沖水系統(tǒng)噴射出水流的流量、流速、能耗及射流的一致性是決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)［1］。

吸盤頭的噴嘴結(jié)構(gòu)形式對噴嘴噴射功能有直接的關(guān)系，在沖水入口壓力一定的情況下，噴嘴噴射出的動能越大，其噴射能力就越強。就是說，吸盤處噴嘴的分布和噴射能力將直接關(guān)系到該挖泥船的工作效率和施工能力。因此，對吸盤式挖泥船吸盤頭噴嘴的噴射角度和噴嘴的結(jié)構(gòu)型式以及噴嘴材料的研究具有較大的理論價值和實用價值，研究成果必將產(chǎn)生重大的社會經(jīng)濟效益。

本文研究吸盤水箱的入流形式、內(nèi)部的流場和噴嘴的射流對高壓沖水效率的影響。模擬中采用固定的流量和出口面積，通過調(diào)整水箱的入流形式和噴嘴的類型來觀察壓降和射流一致性的變化。從而優(yōu)化吸盤的噴射功能。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)某自航耙吸挖泥船艏部吸盤的原型尺寸按照1∶1的比例建立三維模型。吸盤上下兩排噴嘴的水流有不同的來源，入流形式也不一樣。上面一排是從中間入流(直入流)，吸口下面一排是從旁邊入流(側(cè)入流)。上下兩排的噴嘴上下對應(yīng)，并且都是11個。噴嘴出口直徑均為20 mm。

先在Pro/E軟件中建立吸盤的三維模型，然后將Pro/E模型導(dǎo)入GAMBIT并建立計算域。吸盤的三維模型見圖1。

圖1 吸盤三維模型

在GAMBIT中網(wǎng)格定義有三種，分別是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適合于復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格劃分，特別是對奇性點的處理比較簡單，其隨機的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于作網(wǎng)格自適應(yīng)，以便更好地捕獲流場的各種物理特性，并且在其生成的過程中不需要求解任何方程［2］。本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在GAMBIT中，先劃分模型面網(wǎng)格，在面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上生成體網(wǎng)格。體網(wǎng)格分成吸盤區(qū)和外域兩部分。

2 數(shù)值模擬

在實際物理模型實驗中，可以通過測量水箱入口及出口的壓差來計算該系統(tǒng)的能耗，也可以觀察水流的噴射情況，但是了解不到水箱內(nèi)部的流動狀態(tài)，而且在優(yōu)化設(shè)計方面也存在一定的盲目性。而計算流體動力學(xué)方法(CFD)基于對Navier-Stokes方程的離散化，可對內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得流場內(nèi)各點上的流速、壓力等基本物理量的分布。通過CFD計算，可以方便快捷地研究復(fù)雜邊界條件和幾何形狀的計算域，并給出詳細(xì)和完整的資料，結(jié)合應(yīng)用CAD，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。因此，利用CFD作為工具對吸盤高壓噴水系統(tǒng)進(jìn)行研究是很合適的［3-4］。本文采用FLUENT軟件進(jìn)行流場數(shù)值模擬計算。

為了簡化計算，不考慮管路損失，流量取本船高壓水泵的額定流量700 m3/h，對應(yīng)的上沖水系統(tǒng)入流斷面平均流速2.43 m/s，下沖水系統(tǒng)入流斷面平均流速為7.926 m/s。

根據(jù)模型大小，確定GAMBIT中網(wǎng)格尺寸在噴嘴及其附近為4 mm，其余位置為25 mm，此網(wǎng)格大小基本上可以保證計算中要求的精度。由于在水箱內(nèi)部存在渦流，故采用湍流數(shù)學(xué)模型中常用的RNGκ-ε模型。該模型是應(yīng)用重整化群理論，在標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型基礎(chǔ)上的改進(jìn)形式。其基本思想是把湍流看成受隨機力驅(qū)動的輸運方程，然后通過頻譜分析去掉小尺度渦，并將其影響歸并到渦粘性中，得到所需尺度上的輸運方程。RNG κ-ε模型改進(jìn)了紊流粘度的計算，考慮了渦流的影響，從而提高了模型對有漩渦流場計算的準(zhǔn)確性。本模型中，采用速度入流邊界(velocity inlet)和出流(outflow)邊界條件，壁面則采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

3 水箱內(nèi)部基本流場分析

選取直入流水箱和直管噴嘴進(jìn)行流場分析。水箱內(nèi)部流線見圖2。

圖2 直入流型水箱內(nèi)部流線示意

從圖2可見，由于水流進(jìn)入水箱后過流斷面突然擴大，同時受到慣性力的作用和水箱側(cè)壁的限制，沿著水箱后面的邊壁及底部朝各個靜壓較低的噴嘴入流形成扇形擴散。而在噴嘴附近，由于過流斷面急劇縮小，動壓突然增大，靜壓減小，水流從各個方向吸入相對負(fù)壓的噴口，此時壓能轉(zhuǎn)化為動能;顯然，只有一部分水流能順利導(dǎo)入噴嘴，剩下的在水箱內(nèi)形成回流和漩渦，分布在扇形區(qū)域外。可以看出，除扇形區(qū)域外，水箱內(nèi)流場紊亂，損失較多的能量。

直入流型水箱內(nèi)部流場的計算結(jié)果見圖3。

圖3 直入流型水箱內(nèi)部流場示意

計算結(jié)果表明，在扇形分散區(qū)內(nèi)流速較大，流場平穩(wěn)有序，基本上可以保持入流管道中的流速，這說明過流斷面突然擴大并沒有對入流動量造成很大影響;扇形區(qū)外則基本上為回流，流速相對較小，方向雜亂，渦流較多。

在吸盤的高壓沖水系統(tǒng)中，主要的能耗有管路的沿程損失、水流進(jìn)入水箱時因過流斷面突然擴大導(dǎo)致的局部水頭損失、水箱內(nèi)部的紊動造成的水頭損失、噴嘴入流附近因過流斷面突然縮小而導(dǎo)致的局部水頭損失以及噴嘴內(nèi)的沿程損失等。由于噴水系統(tǒng)的出流面積遠(yuǎn)小于進(jìn)流面積，進(jìn)口壓力主要是靜壓(約占總壓的99%)，而噴嘴出口處靜壓可認(rèn)為相對大氣壓為零，可認(rèn)為全部是動壓。根據(jù)水動力學(xué)分析，該系統(tǒng)主要能耗是局部水頭損失和水箱內(nèi)部紊動造成的損失。

4 不同入流形式的比較分析

吸盤上下噴水系統(tǒng)采用不同的入流形式，兩種入流形式的水箱采用直管噴嘴時的流場和噴嘴一致性計算結(jié)果見圖2～5。

圖4 側(cè)入流型水箱內(nèi)部流線示意

圖5 側(cè)入流型水箱內(nèi)部流場示意

與側(cè)入流的情況相比，直入流的流場紊動比較小。分析認(rèn)為，其原因在于直入流形成扇形分流區(qū)，所以入流可以更加平均地分布在噴嘴前面，使水流可以更平順地進(jìn)入噴嘴。同時，由于水箱入流方向和噴嘴軸線不在一個平面內(nèi)，必然也會造成能量損失和降低噴射一致性。通過減小兩者的夾角，應(yīng)該也可以提高沖水效率。

與直入流情況相比，側(cè)入流水箱內(nèi)部水流的轉(zhuǎn)角比較小，射流的一致性較好，各噴嘴的速度都差不多。但水箱內(nèi)的大部分流場紊亂，特別是在剛進(jìn)入水箱的那部分特別紊亂，從而形成的渦流比較多，能耗高。且離入流最近的噴嘴受壁面和距離的影響，射流的主要來源是渦流，出口流速要小于其它幾個噴嘴，在射流大小的一致性方面也較差。與直入流情況相比，由于水流撞向最里面的壁面后產(chǎn)生回流，在水箱中部形成渦流場，也會損失一些能量。相比而言，噴射一致性較差必然導(dǎo)致沖刷效率的降低和能耗的增大。

總體來說，側(cè)入流的射流一致性較直入流來說要稍好一些，但在流場的穩(wěn)定性方面要差很多，能耗比較大，直接影響到射流的平均速度。因此，在條件允許的情況下還是應(yīng)該盡可能地使用直入流形式。

5 不同類型噴嘴的比較分析

5.1 噴嘴噴射能力分析

研究發(fā)現(xiàn)［5］，射流沖擊力和射流動能對噴嘴噴射效率和能力起著關(guān)鍵作用。射流沖擊力是單位時間內(nèi)射流沖向沖刷面的流體動能，其射流動能為

式中:r、Q、v——泥漿的密度、流量和速度;

b——泥漿運動的動能修正系數(shù)。

可見，在射流泵流量不變的情況下，射流沖擊力和射流動能主要取決于射流速度v。因此，提高射流速度v是提高噴嘴噴射效率和能力的主要途徑之一。其次，另一個衡量噴嘴沖擊力的重要參數(shù)是噴嘴的噴距，噴距越大，則沖擊力越強。液流從噴嘴噴出時形成近似剛體的液柱，高速前行。在液柱自身粘性力和表面張力等內(nèi)力和環(huán)境水壓力作用下，保持一定距離的柱狀不破裂。前行中，在強烈的擾動下產(chǎn)生不穩(wěn)定運動的慣性力以及周圍環(huán)境水的作用，加之由于不斷卷吸周圍的環(huán)境水而不斷向橫向擴散，平均流速將逐漸降低。根據(jù)伯努利方程，流速減小，壓強就會不斷增大，當(dāng)液柱壓力大于或等于周圍環(huán)境水壓力時，液柱最終會破裂。因此，噴距與其射流速度有直接的關(guān)系。射流速度大，則噴距相應(yīng)就大。另外，由流體力學(xué)的紊流能量和紊流動能方程可知，噴嘴射流的壓力梯度和速度梯度大，則射流的紊流能量和紊流動量就高，其值與噴嘴的結(jié)構(gòu)有關(guān)。等直徑圓噴嘴具有較小的壓力梯度和速度梯度，而錐形結(jié)構(gòu)噴嘴，這個值卻很大，可使噴嘴的射流水功率更大，效率更高。

5.2 三種類型噴嘴的比較

從已有的研究成果來看，噴嘴射流的一致性對泥沙的沖刷效果影響比較大。其一致性又主要可以分為兩個方面，一方面是流速的方向一致性，即射流的發(fā)散程度;另一方面是流速的大小一致性，即在出口斷面各點流速大小的均勻程度。通常認(rèn)為，大小和方向一致性都比較好的射流，在同等條件下對泥沙的沖刷效果要好。本文采用三種不同類型的噴嘴分別進(jìn)行速度大小和方向一致性的研究。三種噴嘴尺寸見圖6。

圖6 不同類型噴嘴尺寸

以直入流形式為例分別采用三種不同類型噴嘴進(jìn)行流場計算來分析射流的穩(wěn)定性。圖7表示的是出口斷面各點射流方向。而圖8顯示的是出口斷面?zhèn)€點的速度分布圖。從兩圖中可以看出，直管噴嘴盡管射流的方向一致性比較好，但是出口流速在斷面上分布非常不均，參差不齊，中心流速明顯高于平均速度很多，并且靠近兩側(cè)的噴嘴射流流速要小于中間噴嘴的射流流速;恰恰相反，錐形噴嘴的出口流速在斷面上分布比較均勻，但是方向非常散亂，出口各點流速方向相互交叉;而錐直噴嘴的出口射流流速無論在大小上還是在方向上，都分布極為均勻集中。通過流速方向和大小一致性的比較，所以認(rèn)為，錐直形噴嘴在三種噴嘴類型中噴射效率最高。

圖7 直入流型水箱出口斷面流速

圖8 直入流型水箱噴嘴出口速度分布

不同類型噴嘴的速度見表1。

計算結(jié)果表明，水箱入流條件相同時，采用錐直管噴嘴的平均速度最大，其次為錐形管，所以認(rèn)為在水箱中錐直管噴嘴的能耗是最低的。并且考慮到出口射流的一致性，綜合評價認(rèn)為，錐直噴嘴應(yīng)為最佳。

表1 噴嘴出口流速表 m/s

經(jīng)過分析認(rèn)為，在水由水箱進(jìn)入噴嘴時，過流斷面突然縮小，在這種情況下由于壓力梯度大，流場不穩(wěn)定，在采用錐直管噴嘴時，其錐形部分可以對來流起到過渡作用，使水流較平順地進(jìn)入噴嘴，可大量減少回流和能量損耗。另一方面，進(jìn)入噴嘴的水流大部分來自扇形分散流，其它來自周邊回流，噴嘴進(jìn)流條件較復(fù)雜。入流方向散亂，且流速大小不一，所以又需要借助直管段的導(dǎo)向作用來約束水流的流動方向，使噴嘴內(nèi)水流的流動逐漸趨向均勻一致。

6 結(jié)論

直入流形式較側(cè)入流形式更有利于射流的噴射效果，如果條件允許的話使用雙直入流效果會更好，而錐直形噴嘴則是三種噴嘴中最有效的噴嘴。同時，針對水箱內(nèi)部流場的特征，分析認(rèn)為以后設(shè)計中應(yīng)優(yōu)化水箱形狀，使吸盤高壓沖水系統(tǒng)的能耗進(jìn)一步降低，射流的一致性也得到優(yōu)化。本文的成果全部是利用CFD得出的數(shù)值模擬計算結(jié)果，與文獻(xiàn)等資料的結(jié)果比較吻合，希望將來能夠得到物理模型試驗結(jié)果或吸盤原型測試結(jié)果的驗證。

［1］譚宗柒，崔家仲.吸盤式挖泥船噴嘴噴射功能改進(jìn)研究［J］.三峽大學(xué)學(xué)報，2003(4):149-152.

［2］王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［3］洪國軍，王 健，林 風(fēng).自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗研究［J］.中國港灣建設(shè)，2008(4):19-22.

［4］王瑞金，張 凱，王 剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［5］易 燦，李根生，胡永堂.淹沒條件下錐形噴嘴射流破巖效率實驗研究［J］.石油鉆探技術(shù).2001，29(1):10-12.