耙吸挖泥船耙頭固定體噴嘴流場特性數(shù)值分析

尹紀(jì)富，洪國軍，江　帥，袁超哲，邢　津

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心，上?！?01208）

耙吸挖泥船耙頭固定體噴嘴流場特性數(shù)值分析

尹紀(jì)富，洪國軍，江帥，袁超哲，邢津

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心，上海201208）

耙吸挖泥船高壓沖水噴嘴的移動特性對其疏浚效率具有明顯影響，通過CFD數(shù)值模擬手段對移動耙頭固定體噴嘴流場特性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：在高壓沖水時，噴嘴移動速度對高壓沖水的速度及壓力具有顯著影響，移動速度越快，高壓沖水速度場衰減越明顯。在超高壓沖水時，噴嘴移動速度對其流場特性變化并不顯著，尤其在不同噴距時，最大速度并沒有明顯變化。因此，提高噴嘴的沖水壓力可以減小其移動速度對速度等流場特性的影響，從而提高疏浚作業(yè)的效率。

耙頭；噴嘴；流場特性；數(shù)值分析

0　引言

高壓沖水是輔助耙吸挖泥船作業(yè)的主要形式，尤其對于黏性土，在疏浚過程中容易形成堵耙、結(jié)塊等現(xiàn)象，高壓沖水可發(fā)揮重要的作用[1]。耙吸挖泥船耙頭固定體噴嘴的結(jié)構(gòu)形式對高壓沖水系統(tǒng)的效率有決定性影響，在一定的沖水壓力下，高壓沖水噴嘴的射流動能越大，其噴射能力越強(qiáng)，沖刷和疏松泥土的能力就越大，從而直接提高耙吸挖泥船的施工效率[2-3]。

目前對噴嘴特性的研究主要側(cè)重于噴嘴的結(jié)構(gòu)長度、噴射角度等方面，對移動高壓沖水噴嘴的研究較少[4-6]。耙吸挖泥船在施工過程中，噴嘴跟隨耙頭移動，在此過程中，靜止與移動狀態(tài)的高壓沖水的流動特性具有較大的差別。當(dāng)噴嘴移動時，其流動特性會發(fā)生顯著改變，因此對不同移動速度時的高壓沖水噴嘴特性進(jìn)行研究，不僅可以從理論上分析移動沖水噴嘴的流動特性，提高噴嘴的沖水效率，還可以提高疏浚效率，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

本文對噴嘴高壓及超高壓沖水的流動特性進(jìn)行了數(shù)值分析，主要研究了噴嘴移動速度對高壓沖水及超高壓沖水流場特性的影響，重點分析了噴嘴移動速度對高壓沖的水流速度、壓力及渦量場特性的影響，在此基礎(chǔ)上還研究了不同超高壓沖水時的流場特征，深入揭示了噴嘴移動對流場特征的影響特性。

1　耙吸挖泥船耙頭固定體高壓沖水噴嘴

耙吸挖泥船耙頭部分主要由耙頭固定體、活動罩以及輔助管路等組成。其中用于高壓沖水的管路是獨(dú)立分開的，高壓沖水通過高壓管路進(jìn)入高壓沖水噴口，從而對泥沙進(jìn)行沖刷和疏松。目前常用的噴嘴結(jié)構(gòu)形式較多，耙吸挖泥船耙頭上通常采用的是圓柱形噴嘴。

圓柱形噴嘴結(jié)構(gòu)主要由噴嘴流體入口端直徑D1，噴嘴出口直徑D2，噴嘴出口端長度L1，收縮段長度L2等參數(shù)組成。本文用到的噴嘴的具體尺寸為：D1=0.035 m，D2=0.018 m，L1=0.055 m，L2=0.032 m。

2　數(shù)值模擬方法及數(shù)值模型

2.1數(shù)值模擬方法

不可壓弱電介質(zhì)的Navier-Stokes方程為：

式中：t為時間變量；ρ為電介質(zhì)密度；v為電介質(zhì)動力黏性系數(shù)；ui（i=1，2，3）、uj（j=1，2，3）為瞬時速度分量；（x1，x2，x3）分別為空間坐標(biāo)x、y、z；p為擾動壓力。

采用SST k-ω對控制方程（1）進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，SST k-ω兩方程湍流模型能很好地解釋湍流應(yīng)力的輸送，并可對負(fù)壓力梯度下的流動分離給出高精度的預(yù)測。因此，本文采用該湍流模型對噴嘴流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

在SST k-ω湍流模型中，假定湍動黏度μt及湍動能k與湍動頻率ω之間有如下關(guān)系：

在對其進(jìn)行一定的限制后，可得相應(yīng)的兩個輸運(yùn)方程：

湍動黏度的限制公式為：

式中：Pk和Pω為湍流生成項，其定義及模型中相關(guān)系數(shù)的取值參見文獻(xiàn)[7]。

湍流尺度參數(shù)lk-ω的表達(dá)式為:

式中：βk為模型常數(shù)，取值為βk=0.09。

2.2數(shù)值模型

噴嘴流場采用三維數(shù)值模擬方法，主要邊界條件包括噴嘴進(jìn)口的壓力邊界、噴嘴壁面的壁面邊界、流場的對稱邊界、出口的壓力邊界，進(jìn)行移動噴嘴數(shù)值模擬時，采用相對運(yùn)動的方法，對稱邊界條件轉(zhuǎn)換為速度入口邊界條件。

對三維模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，生成的單元總數(shù)為192 000個。在噴嘴壁面采用邊界層網(wǎng)格劃分近壁面網(wǎng)格。在數(shù)值模擬分析時，時間項采用二階隱式散格、壓力項采用二階迎風(fēng)格式離散，速度與壓力的耦合采用SIMPLE方法、動量方程的離散則采用邊界上的二階迎風(fēng)格式，計算的時間步長設(shè)定為0.005 s。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1高壓沖水淹沒射流特性分析

在噴嘴入口邊界設(shè)定壓力進(jìn)口，以0.5 MPa高壓沖水為例對靜止與移動狀態(tài)的高壓沖水特性進(jìn)行分析。施工時船體移動速度約為1~3 kn，因此，高壓沖水噴嘴的移動速度分別為u=0.5 m/s、1.0 m/s和1.5 m/s，記V為射流速度，Vth為噴嘴初始理論速度，計算公式為：，其中Pin為噴嘴進(jìn)口壓力，MPa[8]。

根據(jù)移動噴嘴在不同靶距時速度分布計算結(jié)果，當(dāng)移動速度u=0時，速度在y方向上的分布特性為對稱分布，且隨靶距的增加，最大速度急劇減小，在靶距為1D處，速度為理論速度的0.8倍左右，當(dāng)超過5D時，速度為理論速度的0.1倍以下。當(dāng)移動速度u=1.0 m/s時，在1D處，最大速度已有所減小，約為理論速度的0.7倍左右（圖1），但依舊關(guān)于射流中心線對稱，在3D距離處，最大速度處向y方向上偏移了約5D的距離，且在7D、10D處，速度已基本為0。由此可知：在相同靶距時，隨著噴嘴移動速度的增加，最大速度逐漸衰減，且移動速度越大，靶距較遠(yuǎn)處速度衰減越明顯。

圖1　移動噴嘴在不同靶距時速度分布特性Fig.1　Velocity characteristics of moving water jet nozzles at different jet distance

對高壓沖水輔助耙吸挖泥船作業(yè)的評價，不僅要看速度場的變化，還要看沖水壓力在移動過程中的變化情況。記P為沖水壓力，由計算結(jié)果可知，相同靶距處的最大壓力隨著移動速度的增加而明顯減小，隨著靶距的增加，移動速度越大，最大壓力出現(xiàn)的區(qū)域出現(xiàn)明顯的偏移現(xiàn)象（圖2）。相同移動速度時，隨著靶距的增加，射流壓力衰減極為明顯，當(dāng)靶距超過3D時，射流壓力已基本低于0.1倍的噴嘴進(jìn)口壓力。當(dāng)靶距超過5D時，射流壓力衰減到幾乎為0。

圖2　移動噴嘴不同靶距時射流壓力變化特性Fig.2　Pressure characteristics of moving water jet nozzles at different jet distance

渦量是描述旋渦運(yùn)動最重要的物理量之一，可以從微觀描述流體微團(tuán)的運(yùn)動形態(tài)，從而揭示高壓沖水噴嘴的流場特性。由移動噴嘴渦量場計算結(jié)果可知，當(dāng)噴嘴靜止時，在射流平面上渦量場呈現(xiàn)對稱分布狀態(tài)，且在較遠(yuǎn)處渦量場逐漸減弱；隨著噴嘴移動速度的增加，渦量場向噴嘴移動的反方向逐漸偏移，且渦量場影響的范圍逐漸減小，在噴嘴移動過程中在噴嘴與外界水體接觸處出現(xiàn)渦量場的波動特性，且速度越大波動特性越加明顯（圖3）。

圖3　移動噴嘴渦量場變化特性Fig.3　Vorticity characteristics of moving water jet nozzles

3.2超高壓淹沒沖水射流特性分析

數(shù)值分析了10 MPa超高壓沖水射流特性，分別對射流中心線速度分布、移動方向上的速度分布以及流場特征進(jìn)行了分析。對應(yīng)工況與0.5 MPa時的工況相同，以方便比較較低壓力與超高壓狀態(tài)下的速度場及渦量場特性。

由10 MPa射流壓力不同靶距時速度計算結(jié)果可以看出，在設(shè)計工況內(nèi)，各個靶距階段的速度最大值并未明顯衰減，在1D距離處，速度為理論速度的0.8倍左右，隨著靶距的增加，速度最大值逐漸減小。當(dāng)移動速度u≥1.0 m/s時，靶距大于3D后，速度分布出現(xiàn)關(guān)于射流中心線不對稱的特征，且向噴嘴移動的反方向偏移（圖4），隨著噴嘴移動速度的增加，偏移量有所增大，但速度大小并未出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象。由此可知：超高壓沖水與高壓沖水不同，在靶距小于10D的范圍內(nèi)，射流速度并未出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象，且僅當(dāng)噴嘴移動速度較大時，距離噴嘴較遠(yuǎn)的靶距內(nèi)，速度分布出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。

圖5顯示了10 MPa射流壓力時噴嘴移動速度對射流中心線速度的影響特性。在計算的工況內(nèi)，在射流中心線上，射流速度呈現(xiàn)類似指數(shù)衰減的分布特性，速度沿射流方向逐漸減小。隨著噴嘴移動速度的增加，射流速度并未明顯的衰減。

圖5　10 MPa射流壓力時噴嘴移動速度對射流中心線速度的影響特性Fig.5　Velocity characteristics on the centerline at the 10 MPa jet pressure influenced by moving speed

由10 MPa射流壓力時不同靶距射流壓力計算結(jié)果可知，噴嘴移動速度對超高壓射流壓力的影響很小，但射流壓力沿靶距方向的衰減速度很快，在靶距為1D時，壓力約為進(jìn)口壓力的0.6倍，當(dāng)靶距為3D時，射流壓力迅速衰減，約為進(jìn)口壓力的0.05倍，隨著靶距的增加，射流壓力逐漸衰減。當(dāng)移動速度u=1.0 m/s時，靶距>3D后，射流壓力出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，但并不明顯（圖6）。

圖6　10 MPa射流壓力時不同靶距射流壓力變化特性Fig.6　Pressure characteristics of water jets at different jet distances at the 10 MPa jet pressure

由10 MPa射流壓力時渦量場計算結(jié)果可知，當(dāng)噴嘴移動速度u=0 m/s時，噴嘴渦量場特性為狹長的沿射流中心線對稱分布的渦。當(dāng)噴嘴移動速度為u=1.0 m/s時，在距離噴嘴較近的區(qū)域內(nèi)，渦量場也沒有明顯的變化特性（圖7），但是在距離噴嘴較遠(yuǎn)處區(qū)域，渦量場開始向噴嘴移動的反方向偏移，但并不明顯。因此可知，在超高壓射流10 MPa壓力時，在設(shè)計工況范圍內(nèi)，噴嘴移動速度對近噴嘴區(qū)域的渦量場影響并不明顯，但隨著速度的增加，在距離噴嘴較遠(yuǎn)的區(qū)域渦量場會發(fā)生偏移現(xiàn)象。

圖7　10 MPa射流壓力時渦量場變化特性Fig.7　Vorticity characteristics of water jets at 10 MPa jet pressure

為了研究不同超高壓射流時的流場特征，分別計算了10~50 MPa靜止?fàn)顟B(tài)的噴嘴渦量場變化特性。由計算結(jié)果可知，隨著射流壓力的增加，渦量場影響的范圍明顯增加，且渦量的幅值也在增加。當(dāng)射流壓力超過30 MPa后，渦量場在射流方向出現(xiàn)影響范圍減小又?jǐn)U大的現(xiàn)象，且隨著射流壓力的增加，向外擴(kuò)展的區(qū)域增加明顯，這說明超高壓噴嘴在淹沒水中射流時，起初階段由于噴射阻力較大，噴射區(qū)域逐漸減小，但是當(dāng)壓力超過一定程度后，流場中會出現(xiàn)二次渦的現(xiàn)象，渦量場的影響范圍會進(jìn)一步向下游擴(kuò)展。

4　結(jié)語

通過對移動耙頭固定體噴嘴流場特性的數(shù)值分析，研究噴嘴移動速度對高壓沖水及超高壓沖水流場特性的影響，重點分析了噴嘴移動速度對（超）高壓水射流速度、壓力及渦量場特性的影響。

計算結(jié)果表明，提高耙頭固定體噴嘴的沖水壓力可減小噴嘴移動速度對其沖水速度等流場特性的影響，在正常施工工況下，提高高壓沖水壓力可改善噴嘴流動特性，從而提高疏浚作業(yè)效率。

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Numerical simulation on flow characteristics of water jet nozzle for draghead

YIN Ji-fu,HONG Guo-jun,JIANG Shuai,YUAN Chao-zhe,XING Jin
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment,Shanghai,201208,China）

The moving characteristics of water jet nozzle for draghead has obvious effects on the efficiency of dredging.The CFD numerical simulation is used to research the flow structures of the water jet nozzle.Results show that the moving speed of jet nozzle has significant influence on the velocity and pressure when the high pressure water.The faster the nozzle moving,the flow velocity is more obvious on fading.There are no significant changes in the flow characteristics at ultrahigh pressure water jet.The maximum velocity isn't obvious change in different spray distance.Therefore,improve the nozzle inter pressure can reduce the influence of the moving speed on the flow characteristics to increase the efficiency of the dredging operations.

draghead;water jet nozzle;flow characteristic;numerical simulation

U615.351.2

A

2095-7874（2016）05-0009-04

10.7640/zggwjs201605003

2016-01-04

2016-02-23

尹紀(jì)富（1984— ），男，山東臨沂人，博士，工程師，主要從事疏浚相關(guān)技術(shù)及設(shè)備研究。E-mail：yinjifu@CCCC-drc.com