噴射式挖溝機噴嘴關鍵參數的設計與優化

李軍營，王克文，梁浩新

天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

影響水力噴射式挖溝噴射強度的主要因素有軸流泵的流量、噴嘴的結構形狀尺寸及噴射角度等。采用分析工具對這些影響因素進行優化以完善挖溝機設計，進而提高挖溝效率。依據已知潛水泵，設計合理的噴頭形狀以獲得最佳挖溝效果是研究的目的[1]。

1 項目基本情況

本項目地處南海，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。土質以砂土巖層土壤為主，土壤最大剪切強度為40 kPa。

基于現有QZB-10000型潛水泵進行噴嘴設計與優化，水泵性能試驗數據見表1。

2 噴嘴結構的參數化

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縮頸壁剖面呈圓弧（R=2 500 mm）。

表1水泵性能試驗數據

以圖1的直線方案為研究對象，并對縮頸段高度L、直線段高度H、縮口直徑D等參數進行合理的優化分析，計算在相同額定流量條件下噴射水對海底土層的剪切強度，同時結合壓頭反求流量來修正邊界，找到流量、剪切強度最優時的L、H及D值。當參數初步確定后，通過ANSYS的DesignModeler模塊進行建模，并導入FLUENT進行求解計算[2]。

圖1 直線（H段）縮頸壁

圖2 圓弧（H段）縮頸壁

（1）參數一，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增加一個算例，至0.625 m結束，共12個算例。計算結果見圖3。

圖3 縮頸高度L與最大剪切強度的關系

由圖3可知：

且隨著L值的增大，剪切強度趨于減小，但減小的幅度比較小。

（2）參數二，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作為研究對象。直徑

由圖5可知：

即隨著H值的增大，剪切強度趨于增大，且增大的幅度比較小。

3 噴嘴的優化計算方法

3.1 模型的建立

取噴嘴及出口以下水深10 m、直徑10 m的水域作為計算域，取二維截面作為計算模型，在FLUENT軟件中通過設置對稱軸來模擬三維模型。圖6是上述二維截面的計算模型，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，沿軸旋轉一周形成三維的噴嘴和水域范圍[3]。

圖7是網格示意圖。二維模型節省網格數，且網從0.7 m開始，每0.02 m增加一個算例，至0.88 m結束，共10個算例。計算結果見圖4。

圖4 縮口直徑D與最大剪切強度的關系

由圖4可知：

即隨著D值的增大，剪切強度趨于減小，且減小的幅度比較大。

圖5直線段長度H 與最大剪切強度的關系

圖6 噴嘴及出口以下水域的二維計算模型

（3）參數三，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個算例。計算結果見圖5。格質量高，結果精度高，網格數約為3萬。圖7（a）是全域的網格圖，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格。

圖7 二維截面網格模型

3.2 計算方法

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

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

（2）通過分析壓頭趨勢，根據水泵的性能曲線可以近似求得水泵的流量。

（3）結合新的流量再次對比不同噴頭形狀的剪切強度。

（4）得到不同參數的影響數據之后，優化設計方案，找到合適的噴嘴形狀。

在相同的參數條件下，對比直線與圓弧噴嘴方案的剪切強度[4]。

4 優化結果比較

4.1 噴嘴的直線與圓弧方案對比

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行分析，方案一為直線縮頸，方案二為圓弧縮頸，對比結果如表2所示。

方案一、二的剪切強度云圖如圖8所示。

由方案一、二的剪切強度計算云圖可知，方案一明顯優于方案二，即直線縮頸方案明顯優于圓弧縮頸方案。

表2噴嘴的直線與圓弧方案對比

圖8 方案一、二的剪切強度云圖/Pa

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

圖9 剪切強度等值線

4.2 最終優化方案

此方案旨在計算出噴嘴距海床不同深度時，水對海底土層平均剪切強度約等于40 kPa時的噴口圓面直徑大小，具體計算結果見表3。

表3 最終優化方案

由表3可知，隨著噴距越來越遠，平均剪切強度等于40 kPa的圓面越來越小，因此應該保證噴距以控制實際挖溝機噴出的溝壑直徑。得到的最優結果即直線方案，見表2。

優化設計的原則，首先應該保證水泵工作點在效率最大附近，其次要求最大剪切強度以保證挖溝效果，同時縮頸直徑不能過小，因為過小的縮頸會造成縮頸壁上應力過大，從而影響使用壽命。

另外還選擇了四組方案進行綜合對比計算，計算結果見表4。

表4 四組方案計算結果對比

上述計算方法為，首先假設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行修正，最后計算出相應的剪切強度值。根據之前的算例經驗得出如下優化設計思路：

（1）通過調整直管段長度可以微調壓頭。

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

（3）通過調整縮口直徑滿足剪切強度要求。

最終我們確定的噴嘴結構最優尺寸為，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。設計的挖溝機噴嘴外型如圖10所示，試驗結果表明符合設計要求；挖溝機噴嘴實際應用后的溝形測量也表明，該噴嘴設計完全符合施工需求，見圖11。

圖10挖溝機噴嘴外型

圖11聲吶掃描U形溝圖

5 結束語

經過大量算例考核及實際應用驗證，基于ANSYS和FLUENT軟件進行的非接觸式挖溝機參數優化設計，均能滿足工程需求，用戶滿意度高。

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

[2]李林海.半圓形導流罩設計應用分析[J].船海工程，2012（6）：27-29.

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

[4]李娜.粉砂淤泥質海岸水流泥沙數學模型理論及工程應用[D].天津：天津大學，2008.