李軍營(yíng),王克文,梁浩新
天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司,天津 300409
影響水力噴射式挖溝噴射強(qiáng)度的主要因素有軸流泵的流量、噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀尺寸及噴射角度等。采用分析工具對(duì)這些影響因素進(jìn)行優(yōu)化以完善挖溝機(jī)設(shè)計(jì),進(jìn)而提高挖溝效率。依據(jù)已知潛水泵,設(shè)計(jì)合理的噴頭形狀以獲得最佳挖溝效果是研究的目的[1]。
本項(xiàng)目地處南海,水深60~120 m,挖溝海底管道長(zhǎng)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(zhì)以砂土巖層土壤為主,土壤最大剪切強(qiáng)度為40 kPa。
基于現(xiàn)有QZB-10000型潛水泵進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)與優(yōu)化,水泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
研究的噴嘴形狀有如下兩種,見(jiàn)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?。≧=2 500 mm)。
表1水泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
以圖1的直線方案為研究對(duì)象,并對(duì)縮頸段高度L、直線段高度H、縮口直徑D等參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化分析,計(jì)算在相同額定流量條件下噴射水對(duì)海底土層的剪切強(qiáng)度,同時(shí)結(jié)合壓頭反求流量來(lái)修正邊界,找到流量、剪切強(qiáng)度最優(yōu)時(shí)的L、H及D值。當(dāng)參數(shù)初步確定后,通過(guò)ANSYS的DesignModeler模塊進(jìn)行建模,并導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行求解計(jì)算[2]。
圖1 直線(H段)縮頸壁
圖2 圓?。℉段)縮頸壁
(1)參數(shù)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(zhǎng)度,縮頸段高度L從0.4 m開(kāi)始,每0.02 m增加一個(gè)算例,至0.625 m結(jié)束,共12個(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 縮頸高度L與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系
由圖3可知:
且隨著L值的增大,剪切強(qiáng)度趨于減小,但減小的幅度比較小。
(2)參數(shù)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(duì)象。直徑
由圖5可知:
即隨著H值的增大,剪切強(qiáng)度趨于增大,且增大的幅度比較小。
取噴嘴及出口以下水深10 m、直徑10 m的水域作為計(jì)算域,取二維截面作為計(jì)算模型,在FLUENT軟件中通過(guò)設(shè)置對(duì)稱(chēng)軸來(lái)模擬三維模型。圖6是上述二維截面的計(jì)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(zhuǎn)一周形成三維的噴嘴和水域范圍[3]。
圖7是網(wǎng)格示意圖。二維模型節(jié)省網(wǎng)格數(shù),且網(wǎng)從0.7 m開(kāi)始,每0.02 m增加一個(gè)算例,至0.88 m結(jié)束,共10個(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 縮口直徑D與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系
由圖4可知:
即隨著D值的增大,剪切強(qiáng)度趨于減小,且減小的幅度比較大。
圖5直線段長(zhǎng)度H 與最大剪切強(qiáng)度的關(guān)系
圖6 噴嘴及出口以下水域的二維計(jì)算模型
(3)參數(shù)三,直管段長(zhǎng)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(gè)算例。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。格質(zhì)量高,結(jié)果精度高,網(wǎng)格數(shù)約為3萬(wàn)。圖7(a)是全域的網(wǎng)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(wǎng)格。
圖7 二維截面網(wǎng)格模型
計(jì)算介質(zhì)為海水,密度為1 025 kg/m3,黏度為1.003 mPa·s,在初步計(jì)算中不考慮海水深度溫度對(duì)于工質(zhì)的影響,即密度、黏度均為常數(shù)。邊界條件為流量入口、壓力出口。計(jì)算研究步驟如下:
(1)應(yīng)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(qiáng)度、壓力沿程損失及壓頭。
(2)通過(guò)分析壓頭趨勢(shì),根據(jù)水泵的性能曲線可以近似求得水泵的流量。
(3)結(jié)合新的流量再次對(duì)比不同噴頭形狀的剪切強(qiáng)度。
(4)得到不同參數(shù)的影響數(shù)據(jù)之后,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,找到合適的噴嘴形狀。
在相同的參數(shù)條件下,對(duì)比直線與圓弧噴嘴方案的剪切強(qiáng)度[4]。
取相同的直管段長(zhǎng)度、縮頸高度及縮口直徑,只是將縮頸的直線段改成圓弧來(lái)進(jìn)行分析,方案一為直線縮頸,方案二為圓弧縮頸,對(duì)比結(jié)果如表2所示。
方案一、二的剪切強(qiáng)度云圖如圖8所示。
由方案一、二的剪切強(qiáng)度計(jì)算云圖可知,方案一明顯優(yōu)于方案二,即直線縮頸方案明顯優(yōu)于圓弧縮頸方案。
表2噴嘴的直線與圓弧方案對(duì)比
圖8 方案一、二的剪切強(qiáng)度云圖/Pa
方案一的剪切強(qiáng)度計(jì)算等值線見(jiàn)圖9,值域范圍從40 kPa到81kPa,在等值線的范圍內(nèi)均可獲得大于40 kPa的剪切強(qiáng)度,中心的等值線是81kPa,最外是40 kPa等值線。
圖9 剪切強(qiáng)度等值線
此方案旨在計(jì)算出噴嘴距海床不同深度時(shí),水對(duì)海底土層平均剪切強(qiáng)度約等于40 kPa時(shí)的噴口圓面直徑大小,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 最終優(yōu)化方案
由表3可知,隨著噴距越來(lái)越遠(yuǎn),平均剪切強(qiáng)度等于40 kPa的圓面越來(lái)越小,因此應(yīng)該保證噴距以控制實(shí)際挖溝機(jī)噴出的溝壑直徑。得到的最優(yōu)結(jié)果即直線方案,見(jiàn)表2。
優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則,首先應(yīng)該保證水泵工作點(diǎn)在效率最大附近,其次要求最大剪切強(qiáng)度以保證挖溝效果,同時(shí)縮頸直徑不能過(guò)小,因?yàn)檫^(guò)小的縮頸會(huì)造成縮頸壁上應(yīng)力過(guò)大,從而影響使用壽命。
另外還選擇了四組方案進(jìn)行綜合對(duì)比計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 四組方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比
上述計(jì)算方法為,首先假設(shè)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(guò)估算的流量進(jìn)行修正,最后計(jì)算出相應(yīng)的剪切強(qiáng)度值。根據(jù)之前的算例經(jīng)驗(yàn)得出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)思路:
(1)通過(guò)調(diào)整直管段長(zhǎng)度可以微調(diào)壓頭。
(2)通過(guò)調(diào)整縮頸高度可以調(diào)整縮口角度,必須保證合理的角度,當(dāng)縮頸高度過(guò)低即角度過(guò)大時(shí),噴嘴壽命受影響。
(3)通過(guò)調(diào)整縮口直徑滿(mǎn)足剪切強(qiáng)度要求。
最終我們確定的噴嘴結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸為,縮頸高度L取0.275 m,直管段長(zhǎng)度H取0.825 m和縮口直徑D取0.6 m。設(shè)計(jì)的挖溝機(jī)噴嘴外型如圖10所示,試驗(yàn)結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求;挖溝機(jī)噴嘴實(shí)際應(yīng)用后的溝形測(cè)量也表明,該噴嘴設(shè)計(jì)完全符合施工需求,見(jiàn)圖11。
圖10挖溝機(jī)噴嘴外型
圖11聲吶掃描U形溝圖
經(jīng)過(guò)大量算例考核及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,基于ANSYS和FLUENT軟件進(jìn)行的非接觸式挖溝機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),均能滿(mǎn)足工程需求,用戶(hù)滿(mǎn)意度高。
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