蘭劍，伍立說(shuō)，郭濤，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心，上海 200082）

0 引言

耙吸挖泥船作為疏浚領(lǐng)域的主力船型，工作水深范圍廣、土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)靈活，具有很好的操縱性和工況適應(yīng)性，頻繁被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型吹填造地、港口建設(shè)、航道疏浚工程等項(xiàng)目中。耙頭作為挖掘系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其挖掘能力直接影響到耙吸挖泥船的整船疏浚效率。經(jīng)過(guò)領(lǐng)域內(nèi)多年的研究和經(jīng)驗(yàn)積累，耙頭高壓沖水對(duì)破土和挖掘的作用越來(lái)越被重視。經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)，耙頭在施工過(guò)程中的挖掘土層厚度由高壓沖水破土厚度和耙齒破土厚度組成，兩者比值與土質(zhì)、沖水流量、沖水流速相關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外建造的大中型耙吸挖泥船均配備了耙頭高壓沖水系統(tǒng)，旨在將高壓沖水泵吸入的海水通過(guò)耙頭內(nèi)部噴嘴沖射海底泥土，提高耙頭的挖掘能力。因此，對(duì)于新造耙吸船高壓沖水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需進(jìn)行高壓沖水系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的匹配性研究，分析高壓沖水泵與耙頭高壓沖水管路的匹配性，在滿足耙頭挖掘所需噴嘴射流的流量、流速條件下，盡可能降低管路損耗，提高沖水效率。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)等方法單獨(dú)對(duì)耙頭高壓沖水開展過(guò)研究[1-9]；然而，從系統(tǒng)的角度，對(duì)耙頭高壓沖水管路與高壓沖水泵性能的匹配性研究尚有欠缺。本文以上航局3 000 m3等級(jí)耙吸挖泥船建造項(xiàng)目為依托，針對(duì)項(xiàng)目中4 500 m3耙吸挖泥船耙頭和高壓沖水泵研制工作，開展了耙頭沖水管路管阻計(jì)算及與高壓沖水泵工作點(diǎn)匹配性研究，闡述了高壓沖水管路與高壓沖水泵性能匹配設(shè)計(jì)的一般方法。同時(shí)，針對(duì)耙頭內(nèi)部能量損失區(qū)域，開展了優(yōu)化耙頭內(nèi)部過(guò)流面形狀降低水力損失的研究。

1 高壓沖水泵特性

4 500 m3耙吸挖泥船配備的高壓沖水泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的額定輸出功率為1 000 kW，高壓沖水泵的額定轉(zhuǎn)速為630 r/min，其流量-揚(yáng)程曲線見(jiàn)圖1，流量-功率曲線如圖2所示。

圖1 高壓沖水泵流量-揚(yáng)程曲線（630 r/min）Fig.1 The quantity-head curve of high pressure jet pump（630 r/min）

圖2 高壓沖水泵流量-功率曲線（630 r/min）Fig.2 The quantity-power curve of high pressure jet pump（630 r/min）

2 高壓沖水管路阻力分析

對(duì)高壓沖水泵排口到耙頭噴嘴的整個(gè)管路輸送海水的沿程阻力損失進(jìn)行分析，整個(gè)耙頭高壓沖水管路包含艙內(nèi)管路、耙臂管路以及耙頭管路。泵排口至耙頭進(jìn)口的整個(gè)管路主要由無(wú)縫鋼管直段與彎管構(gòu)成，其阻力性能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，從耙頭進(jìn)口至噴嘴出口的整個(gè)管路的水力損失通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬獲得。

2.1 艙內(nèi)與耙臂高壓沖水管阻力

4 500 m3耙吸挖泥船高壓沖水管采用無(wú)縫鋼管，管內(nèi)徑402 mm，根據(jù)JTS 181-5—2012《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]管阻的估算方法，估算艙內(nèi)管路與耙臂管路管阻，其中清水沿程阻力系數(shù)取0.015 3（φ400），90毅光滑彎管局部阻力系數(shù)取0.3，30毅光滑彎管局部阻力系數(shù)取0.07，三通管（轉(zhuǎn)折）局部阻力系數(shù)取2.0。計(jì)算得到高壓沖水管阻力特性曲線如圖3。流量3 200 m3/h對(duì)應(yīng)的壓力損失約為14.8 m（水柱）。

圖3 高壓沖水管阻力特性曲線Fig.3 Resistance characteristic curve of high pressure jet pipe

2.2 耙頭高壓沖水管阻力

耙頭高壓沖水管路由高壓沖水進(jìn)口總管、固定體水箱、活動(dòng)罩支管、活動(dòng)罩水箱、耐磨塊噴嘴、活動(dòng)罩水箱噴嘴、耙齒噴嘴構(gòu)成，見(jiàn)圖4。

圖4 耙頭高壓沖水管路Fig.4 High-pressure jet water pipes of the draghead

原耙頭設(shè)計(jì)的高壓沖水內(nèi)流場(chǎng)水體如圖5所示，高壓沖水從進(jìn)口分五路分別向固定體耐磨塊、活動(dòng)罩噴嘴以及耙齒噴嘴供水，5種位置的噴嘴分別對(duì)應(yīng)圖中a，b，c，d，e?；顒?dòng)罩高壓沖水噴嘴以及耐磨塊高壓沖水噴嘴均采用錐形過(guò)渡直管的內(nèi)流道形狀。各噴嘴的口徑與數(shù)量見(jiàn)表1。

圖5 原設(shè)計(jì)耙頭內(nèi)部高壓沖水水體Fig.5 High pressure jet water body inside draghead in original design

表1 4 500 m3耙頭的噴嘴配置Table 1 Nozzle configuration for 4 500 m3 draghead

數(shù)值模擬方法：建立耙頭高壓沖水進(jìn)口至噴嘴部分水體三維模型，使用Fluent數(shù)值計(jì)算軟件建立耙頭高壓沖水的計(jì)算模型。耙頭1 200萬(wàn)四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為300萬(wàn)多面體網(wǎng)格；耙頭高壓水管進(jìn)口設(shè)置為總壓邊界條件，噴嘴出口設(shè)置為出口靜壓條件，即環(huán)境壓力。管與噴嘴內(nèi)壁為不可滑移壁面邊界；采用雙精度，RNGk-ε湍流模式，SIMPLIC算法，三階插值。

耙頭進(jìn)口壓力800 kPa邊界條件下，數(shù)值模擬得到各位置噴嘴平均流速，見(jiàn)圖6。

圖6 各位置噴嘴出口平均流速Fig.6 Average velocity of nozzle outlet at each position

數(shù)值計(jì)算得到：耙頭進(jìn)口總壓800 kPa的條件下，耙頭高壓沖水總流量2 860 m3/h。噴嘴流速分布在23~33 m/s之間，各位置噴嘴水力損失情況如下：

a噴嘴：損失50%~51%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失；

b噴嘴：損失58%~66%，主要損失類型為折角損失+變徑節(jié)流損失；

c噴嘴：損失31%~33%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失；

d噴嘴：損失42%~50%，主要損失類型為折角損失+變徑節(jié)流損失；

e噴嘴：損失31%~34%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失。

由此可見(jiàn)，耙頭進(jìn)口至噴嘴出口的壓力損失占比可達(dá)50%以上，因此通過(guò)優(yōu)化耙頭高壓沖水內(nèi)流場(chǎng)過(guò)流面有效降低阻力損失對(duì)于提高高壓沖水效率至關(guān)重要。

結(jié)合圖3高壓沖水管路流量-管阻曲線，流量2 860 m3/h相應(yīng)的管路壓力損失約118 kPa；由圖2高壓沖水泵流量-功率曲線可知高壓沖水泵功率約為900 kW，因此，從高壓沖水泵至耙頭噴嘴整個(gè)管路所需壓力約為920 kPa，即高壓沖水泵排壓需滿足約920 kPa。根據(jù)圖1可知，額定轉(zhuǎn)速630 r/min時(shí)流量2 860 m3/h對(duì)應(yīng)泵揚(yáng)程約為96 m（水柱），因此，高壓沖水泵需要適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與整個(gè)管路匹配。因此，原耙頭高壓沖水管路流量揚(yáng)程與初始設(shè)計(jì)高壓沖水泵額定工作點(diǎn)（流量3 200 m3/h，揚(yáng)程90 m（水柱））相比，流量偏低，所需揚(yáng)程偏高，功率余量較大，有必要調(diào)整耙頭內(nèi)部高壓沖水管路以期達(dá)到大流量低損耗的目的，同時(shí)與高壓沖水泵工作點(diǎn)匹配。

3 耙頭高壓沖水內(nèi)流道過(guò)流面優(yōu)化

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)耙頭過(guò)流面進(jìn)行了如下優(yōu)化：1）優(yōu)化耙頭活動(dòng)罩前排（艉向）水箱結(jié)構(gòu)，使整個(gè)水箱連接為一體減少流道突變，同時(shí)增大后排（艏向）半圓管水箱內(nèi)徑，如圖7所示；2）對(duì)噴嘴過(guò)流面形狀進(jìn)行優(yōu)化，將錐直形噴嘴改進(jìn)為進(jìn)口弧形光順過(guò)渡的過(guò)流面，消除過(guò)流截面突變，噴嘴過(guò)流面形狀優(yōu)化如圖8所示。

圖7 活動(dòng)罩水箱過(guò)流截面形狀優(yōu)化Fig.7 Optimization of flow section shape of water tank

圖8 噴嘴過(guò)流面形狀優(yōu)化Fig.8 Optimization of flow surface shape of nozzle

高壓沖水管路改進(jìn)后，耙頭進(jìn)口總壓800 kPa的條件下，數(shù)值模擬獲得噴嘴的流速分布如圖9所示。

圖9 改進(jìn)耙頭過(guò)流面后各位置噴嘴出口平均流速Fig.9 Average velocity of nozzle outlet at each position after improving draghead flow surface

耙頭高壓沖水總流量3 171 m3/h。各位置噴嘴水力損失情況如下：

a噴嘴：損失36%~37%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失；

b噴嘴：損失42%~46%，主要損失類型為折角損失+變徑節(jié)流損失；

c噴嘴：損失31%~34%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失；

d噴嘴：損失38%~42%，主要損失類型為折角損失+變徑節(jié)流損失；

e噴嘴：損失23%~24%，主要損失類型為變徑節(jié)流損失。

對(duì)改進(jìn)后和原設(shè)計(jì)的噴嘴流速進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。改進(jìn)后噴嘴出口速度最大提高超過(guò)30%，且噴嘴出口流速均超過(guò)30 m/s，與原設(shè)計(jì)相比，顯著提高了高壓沖水的破土能力。

表2 4 500 m3耙頭各位置噴嘴出口速度對(duì)比Table 2 Comparison of nozzle outlet velocity at each position of 4 500 m3 draghead

改進(jìn)后耙頭高壓沖總流量與壓力分別為3 171 m3/h與950 kPa，由圖1可知泵轉(zhuǎn)速為630 r/min時(shí)3 170 m3/h對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程約為95 m（水柱），此時(shí)耙頭高壓沖水管路與泵的工作點(diǎn)基本吻合，可實(shí)現(xiàn)耙頭高壓沖水管路與泵的匹配。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法獲得了與4 500 m3耙吸挖泥船高壓沖水泵工作點(diǎn)匹配的耙頭內(nèi)高壓沖水管路設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了管路減阻、提高噴嘴流速?gòu)亩龃髧娮炱仆聊芰Φ哪康?。同時(shí)，提供了泵與管路匹配設(shè)計(jì)的一般方法以及耙頭高壓沖水內(nèi)流場(chǎng)過(guò)流面結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。