水力沖射式海底挖溝機(jī)噴嘴噴射角優(yōu)化分析

沈留陽(yáng)

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與動(dòng)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(jī)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(duì)于海底挖溝機(jī)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(zhǎng)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(jì)算方法

為了研究噴嘴不同噴射角度對(duì)管溝清潔的影響，本文根據(jù)流體力學(xué)理論對(duì)不同噴射角度進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(guò)solidworks畫(huà)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型共劃分有298109個(gè)網(wǎng)格。由于水流從噴嘴加速進(jìn)入到外部流場(chǎng)的過(guò)程中，水流的壓力、速度等會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)，要加密處理噴嘴出口處的網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)近壁網(wǎng)格也要進(jìn)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(dòng)能k和耗散率ε兩個(gè)基本的未知量所組成，與之對(duì)應(yīng)的方程為：

圖3 不同噴射角度下的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖

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

湍流黏性系數(shù)公式：

式中：Cμ黏性擴(kuò)散系數(shù)，；k湍動(dòng)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(jì)算得到出口壓力為0.4MPa。隨后選用coupled算法進(jìn)行迭代計(jì)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(shí)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(chǎng)仿真及數(shù)值結(jié)果分析

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

通過(guò)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(duì)壁面沖擊壓力的變化曲線圖，見(jiàn)圖4。

通過(guò)分析可知：

（1）當(dāng)噴射角為90°的時(shí)候，雖然高壓水射流對(duì)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(shí)，部分射流會(huì)反彈起來(lái)與噴嘴噴射出來(lái)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(duì)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(shí)，便會(huì)減小射流的反射從而增大剪切應(yīng)力。與此同時(shí)，噴嘴傾斜噴射時(shí)，噴嘴前進(jìn)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(duì)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(shí)，噴嘴噴射出來(lái)的射流對(duì)壁面作用有更高的壓力，有利于在海底開(kāi)溝，提高開(kāi)溝的效率。并且使開(kāi)出來(lái)的管溝更加清潔，質(zhì)量更高。這也說(shuō)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(shí)，可認(rèn)為壁面受力最大，破土效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海底挖溝機(jī)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(yùn)用Fluent軟件對(duì)選定的噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過(guò)研究在不同噴射角度下噴嘴射流對(duì)壁面的作用得出外部流場(chǎng)的壓力和速度云圖，運(yùn)用分析結(jié)果得出在不同噴射角度下噴嘴的射流對(duì)壁面作用后的壓力和速度的變化情況，并對(duì)不同噴射角度下高壓射流沖擊壁面時(shí)的壓力變化曲線進(jìn)行對(duì)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。