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(jì)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(dòng)能越大，其噴射能力就越強(qiáng)。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(jià)值和實(shí)用價(jià)值，研究成果必將產(chǎn)生重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)。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(jì)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(diǎn)的處理比較簡單，其隨機(jī)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(shí)際物理模型實(shí)驗(yàn)中，可以通過測量水箱入口及出口的壓差來計(jì)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(dòng)狀態(tài)，而且在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面也存在一定的盲目性。而計(jì)算流體動(dòng)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(diǎn)上的流速、壓力等基本物理量的分布。通過CFD計(jì)算，可以方便快捷地研究復(fù)雜邊界條件和幾何形狀的計(jì)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(jì)。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(jì)算。

為了簡化計(jì)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(jì)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(jī)力驅(qū)動(dòng)的輸運(yùn)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(yùn)方程。RNG κ-ε模型改進(jìn)了紊流粘度的計(jì)算，考慮了渦流的影響，從而提高了模型對有漩渦流場計(jì)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(kuò)大，同時(shí)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(gè)靜壓較低的噴嘴入流形成扇形擴(kuò)散。而在噴嘴附近，由于過流斷面急劇縮小，動(dòng)壓突然增大，靜壓減小，水流從各個(gè)方向吸入相對負(fù)壓的噴口，此時(shí)壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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?？梢钥闯?，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(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 直入流型水箱內(nèi)部流場示意

計(jì)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(kuò)大并沒有對入流動(dòng)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(shí)因過流斷面突然擴(kuò)大導(dǎo)致的局部水頭損失、水箱內(nèi)部的紊動(dòng)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(dòng)壓。根據(jù)水動(dòng)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(dòng)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(shí)的流場和噴嘴一致性計(jì)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(dòng)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(shí)，由于水箱入流方向和噴嘴軸線不在一個(gè)平面內(nèi)，必然也會(huì)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(gè)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(huì)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(dòng)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(shí)間內(nèi)射流沖向沖刷面的流體動(dòng)能，其射流動(dòng)能為

式中:r、Q、v——泥漿的密度、流量和速度;

b——泥漿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(dòng)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(gè)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(qiáng)。液流從噴嘴噴出時(shí)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(qiáng)烈的擾動(dòng)下產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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(kuò)散，平均流速將逐漸降低。根據(jù)伯努利方程，流速減小，壓強(qiáng)就會(huì)不斷增大，當(dāng)液柱壓力大于或等于周圍環(huán)境水壓力時(shí)，液柱最終會(huì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(diǎn)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(jì)算來分析射流的穩(wěn)定性。圖7表示的是出口斷面各點(diǎn)射流方向。而圖8顯示的是出口斷面?zhèn)€點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果表明，水箱入流條件相同時(shí)，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(jià)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(shí)，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(shí)，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(dòng)方向，使噴嘴內(nèi)水流的流動(dòng)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(huì)更好，而錐直形噴嘴則是三種噴嘴中最有效的噴嘴。同時(shí)，針對水箱內(nèi)部流場的特征，分析認(rèn)為以后設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)結(jié)果或吸盤原型測試結(jié)果的驗(yàn)證。

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