淹沒條件下水射流噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)特性*

曾施雨，王 濤，劉辛愉，邵偉峰

(長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

長(zhǎng)江橫貫我國(guó)東、中、西三大經(jīng)濟(jì)地帶，是連通西南、華中和華東地區(qū)的水路交通運(yùn)輸大動(dòng)脈，同時(shí)也是我國(guó)的重要生態(tài)寶庫(kù)。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶及國(guó)家內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)提升長(zhǎng)江黃金水道的功能和增強(qiáng)航運(yùn)能力提出了新的要求。長(zhǎng)江上游內(nèi)河航道整治工程中，常采用水下爆破的方式清除礁石。爆破工藝雖然技術(shù)成熟、工效較高，但其所產(chǎn)生的附加影響會(huì)造成水生生物的致命損傷和水體環(huán)境的污染破壞。因此，研發(fā)一種環(huán)保的新型清礁技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)未來(lái)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”是極其必要的。

水射流技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行清洗、切割和破碎，最初主要應(yīng)用于礦床中的采煤工程。如今，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、石油、水利等行業(yè)。1983年起，美國(guó)礦業(yè)局已經(jīng)在水射流破巖領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究[1]。1995年，王瑞和等[2]對(duì)水射流破巖鉆孔及旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔進(jìn)行試驗(yàn)研究，初步探究了射流破巖過(guò)程及原理。盧義玉等[3]對(duì)射流輔助刀具的切割裝置進(jìn)行研發(fā)，并進(jìn)行了破巖試驗(yàn)。孫清德等[4]開展水力聯(lián)合機(jī)械鉆孔破巖的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明其效率高于單射流或單鉆齒的作業(yè)方式。

水射流技術(shù)具有切割能力強(qiáng)、取材方便、環(huán)保無(wú)污染、工作機(jī)件易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。本文提出在水下淹沒環(huán)境下應(yīng)用水射流切割礁石以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的爆破工藝，現(xiàn)階段主要研究淹沒水深及水流流速等外界環(huán)境因素對(duì)沖擊射流的影響。

1 水射流數(shù)學(xué)模型

1.1 模型建立

整個(gè)模型計(jì)算域主要由噴嘴及其外空間水域兩部分構(gòu)成。噴嘴為常見的錐直型結(jié)構(gòu)，考慮其本身具有極好的對(duì)稱性，故可將計(jì)算簡(jiǎn)化為二維數(shù)學(xué)模型問(wèn)題進(jìn)行求解。水下淹沒空間為一個(gè)寬20 cm、高25 cm的水箱結(jié)構(gòu)，噴嘴位于其頂部中央。計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中噴嘴結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密處理。二維模型和錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中入口直徑D為6 mm，入口段長(zhǎng)度L1為20 mm，收斂段長(zhǎng)度L2為17.55 mm，圓柱段長(zhǎng)度L3為6 mm，收斂角α為13°，出口直徑d為2 mm。

圖1 二維模型和錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)

1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

假定整個(gè)水射流運(yùn)動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，體系溫度始終保持不變，與外界無(wú)熱交換。噴嘴進(jìn)口連接高壓管道，出口處于水下淹沒環(huán)境，故分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口；噴嘴壁面為墻體邊界。

水箱頂部與外界大氣環(huán)境相通，水箱兩側(cè)處于淹沒環(huán)境中，均設(shè)置為壓力出口；水箱底部為墻體邊界條件。選擇k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算，離散方程組采用SIMPLE算法[5]進(jìn)行求解。

1.3 模型驗(yàn)證

1.3.1淹沒射流結(jié)構(gòu)特性

淹沒射流如圖2所示，射流主要分為初始段、基本段兩部分[6-7]。其中初始段為噴嘴出口至轉(zhuǎn)折面之間的區(qū)域，為射流的核心區(qū)，此階段射流集束性好，沖擊速度大，沿程速度幾乎保持不變。轉(zhuǎn)折面之后為射流的基本段，射流紊動(dòng)特性增強(qiáng)，速度沿程衰減加劇，逐步呈現(xiàn)出散射現(xiàn)象。

圖2 淹沒射流

根據(jù)機(jī)械能守恒原理，忽略噴嘴出入口兩點(diǎn)間的高度差，由伯努利方程可推導(dǎo)出式(1)，同時(shí)射流流動(dòng)滿足連續(xù)性方程：

(1)

ρv1A1=ρv2A2

(2)

式中：p1為噴嘴入口截面壓強(qiáng)(MPa)；p2為噴嘴出口截面壓強(qiáng)(MPa)；v1為噴嘴入口截面平均流速(ms)；v2為噴嘴出口截面平均流速(ms)；A1為噴嘴入口截面面積(m2)；A2為噴嘴出口截面面積(m2)；ρ為水體密度(kgm3)。

本試驗(yàn)中6片試驗(yàn)梁以剪力連接度為分組依據(jù)，分為完全連接結(jié)合梁(FCB梁組)和部分連接結(jié)合梁(PCB梁組)，分別進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試。每組試驗(yàn)梁又根據(jù)不同的栓釘損傷工況各分為3片梁(FCB、FCB1、FCB2和PCB、PCB1、PCB2)，以進(jìn)行栓釘局部損傷識(shí)別的研究，試驗(yàn)梁其它參數(shù)均相同。本文只進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)部分的試驗(yàn)研究。

因整個(gè)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)均為圓管形，故由式(1)、(2)可推導(dǎo)出：

(3)

式中：D為噴嘴入口直徑(m)；d為噴嘴出口直徑(m)。淹沒環(huán)境下(水深2 m)的圍壓不足0.05 MPa，遠(yuǎn)小于數(shù)十兆帕的射流泵壓，故計(jì)算中可忽略p2的影響。針對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸而言，(dD)4數(shù)值太小(約等于0)。故可簡(jiǎn)化得到噴嘴出口射流沖擊速度的理論計(jì)算公式[8-9]：

(4)

1.3.2計(jì)算結(jié)果

圖3 入口壓力為50 MPa的水射流速度等值線

圖4 入口壓力為90 MPa的水射流速度等值線

由圖3、4可知，噴嘴出口處附近射流沖擊速度達(dá)到最大，沿程分布形態(tài)呈倒三角形，射流未發(fā)生明顯擴(kuò)散，且始終維持高速狀態(tài)。隨后，射流后半段沖擊速度大幅度衰減，沿程擴(kuò)散加劇。整個(gè)流場(chǎng)分布符合經(jīng)典理論中淹沒射流流場(chǎng)分布特征。

噴嘴中軸線位置的速度變化如圖5所示。水射流噴嘴內(nèi)外速度沿程發(fā)展變化可分為4個(gè)階段[10]:1)入口段：射流基本維持其初始狀態(tài)，速度變化較小；2)收斂段：噴嘴內(nèi)部過(guò)流斷面面積逐漸減小，水射流壓能得以更大程度地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沖擊速度得到極大提高，且臨近收斂段末端期提升速率更快；3)圓柱段：噴嘴截面尺寸保持不變，水流在該區(qū)域平順過(guò)渡，沖擊速度略有提高；4)噴嘴外流場(chǎng)：臨近噴嘴出口存在一明顯初始段，長(zhǎng)度約1.4 cm，射流始終處于高速狀態(tài)。隨后進(jìn)入基本段，速度沿程發(fā)生大幅度衰減。

圖5 噴嘴中軸線位置速度變化

距噴嘴出口3d處水平截面速度分布如圖6所示(d為噴嘴出口直徑)。距噴嘴出口3d水平截面處，仍處于射流初始段內(nèi)，越靠近軸線處射流速度越大。伴隨著射流的擴(kuò)散，遠(yuǎn)離射流軸線的兩側(cè)與四周環(huán)境水體接觸摻混，射流能量迅速消散，沖擊速度明顯減小。

圖6 距噴嘴出口3d處水平截面速度分布

1.3.3驗(yàn)證結(jié)果

考慮到噴嘴出口直徑極小，出口截面軸心速度可近似代替截面平均流速，由表1可知，不同泵壓條件下，其數(shù)模計(jì)算結(jié)果均略小于理論公式計(jì)算值。同樣，數(shù)模成果表明，射流初始段無(wú)量綱長(zhǎng)度約為7，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的現(xiàn)有研究結(jié)果一致(表2)。

表1 水射流噴嘴出口速度

表2 水射流無(wú)量綱初始段長(zhǎng)度成果

注：l為初始段長(zhǎng)度。

通過(guò)射流噴嘴出口截面處速度大小和初始段長(zhǎng)度兩方面的綜合分析可知，本文的研究成果與其他學(xué)者成果具有較好的相似性，所建模型滿足計(jì)算精度的要求。

2 淹沒環(huán)境對(duì)射流的影響

2.1 淹沒水深對(duì)射流的影響

伴隨著三峽大壩的調(diào)節(jié)過(guò)程，長(zhǎng)江上游庫(kù)區(qū)水深高差最大約30 m。在泵壓50 MPa的情況下，對(duì)比分析水深為2、4、8、18、30 m不同工況條件下的射流流場(chǎng)變化。不同水深下中軸線位置速度差值分布如圖7所示。

注：以水深h=2 m為參照；軸向起點(diǎn)為噴嘴出口。圖7 不同水深下中軸線位置速度差值分布

由圖7可知，對(duì)比淹沒水深2 m情況下，水深增加到4和8 m時(shí)，射流沿程速度整體變化較小；當(dāng)水深增加到18和30 m時(shí)，射流初始段以及基本段速度沿程速度均出現(xiàn)相對(duì)明顯地衰減，基本段后部分速度最大衰減可達(dá)17 ms左右。

注：以水深h=2 m為參照；截面位于距噴嘴出口3d處。圖8 不同水深下水平截面速度差值分布

分析可知，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于數(shù)十米水深的環(huán)境圍壓對(duì)比射流的高泵壓而言，其大小并非處于同一數(shù)量級(jí)。高壓條件下的水射流具有極高的沖擊速度，其中初始段為射流能量最為集中的區(qū)域，沖擊速度大、集束性好，不易受到外界環(huán)境的影響。

2.2 水流流速對(duì)射流的影響

2.2.1射流流場(chǎng)分布變化

不同水流流速下的射流流場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 不同水流流速下的射流流場(chǎng)分布

射流初始段和基本段水平截面上沿x軸方向速度u的分布特征如圖10所示。當(dāng)水流流速v水=0 ms時(shí)，射流兩個(gè)階段內(nèi)沿水平方向上的速度分量都很小，整體波動(dòng)范圍僅在-4～4 ms。伴隨著淹沒環(huán)境中水流沖擊速度的增加，射流速度分量u逐漸明顯增大，其中初始段內(nèi)速度u增量在1～8.5 ms，基本段速度u增量在4～20 ms。整體來(lái)看，淹沒環(huán)境中水流流動(dòng)會(huì)對(duì)射流沿程發(fā)展造成一定的影響，其中相比射流基本段而言，射流初始段仍能保持較好的穩(wěn)定性。

圖10 射流水平截面處速度u分布

2.2.2射流壓強(qiáng)分布變化

動(dòng)壓是表述對(duì)流體單位體積動(dòng)能大小的物理量，其基本概念源于伯努利方程：

E=12ρv2

(5)

式中：ρ為水體密度(kgm3)；v為流體流速(ms)。流體動(dòng)壓大小主要與其密度、運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。在射流沖擊破壞巖石的過(guò)程中，沖擊荷載是關(guān)鍵因素。射流的沖擊速度越大，其動(dòng)壓越大，破巖效果越好。

淹沒條件下水射流動(dòng)壓分布與速度分布特征相似，射流動(dòng)壓最高且分布最為集中的區(qū)域位于射流基本段，如圖11、12所示。長(zhǎng)江上游河段礁石分布以頁(yè)巖與泥巖為主，其極限抗壓強(qiáng)度多在20～40 MPa。對(duì)比可知，在泵壓50 MPa條件下，水射流最大沖擊動(dòng)壓可達(dá)49.8 MPa，大于靶物對(duì)象巖石的抗壓強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其切割破壞。

注：淹沒水深2 m，環(huán)境流速0 ms。圖11 泵壓50 MPa的水射流動(dòng)壓等值線

注：淹沒水深2 m，環(huán)境流速0 ms，軸向起點(diǎn)為噴嘴出口。圖12 泵壓50 MPa的中軸線位置水射流速度-動(dòng)壓分布

3 結(jié)論

1)射流噴嘴內(nèi)外的沿程發(fā)展主要分為4個(gè)階段，其中噴嘴收斂段加速作用最為明顯。臨近噴嘴出口處的外流場(chǎng)區(qū)域中，射流存在明顯的初始段，其無(wú)量綱長(zhǎng)度約等于7。

2)淹沒水深30 m的范圍內(nèi)，伴隨水深深度的增加，射流沿程沖擊速度有所減小。整體來(lái)看，射流初始段受水深條件影響極小，軸心速度減小不足5 ms，衰減程度僅約1.5%。水深在18～30 m時(shí)，射流衰減的程度相對(duì)更為明顯，其中基本段區(qū)域軸心速度最大衰減可達(dá)約17 ms。

4)淹沒條件下水射流動(dòng)壓分布與速度分布特征相似，初始段為射流動(dòng)壓最高且最為集中分布的區(qū)域。