郭 威，姜 磊，胡曉函，王 希，吳德發(fā)，劉銀水

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082)

引言

我國(guó)現(xiàn)有各類水庫(kù)大壩9.8萬(wàn)余座，且許多大壩使用年限長(zhǎng)[1]，在發(fā)揮效益的同時(shí)存在安全隱患，例如壩面裂縫、凹坑[2-3]等。大壩檢測(cè)是確保大壩安全的必要措施[4-5]，但壩面附著的泥沙導(dǎo)致無(wú)法直觀準(zhǔn)確的觀察到壩面情況，因此大壩檢測(cè)時(shí)必須清除壩面泥沙并且保證壩面附近水域清澈。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的大壩檢測(cè)方法主要分兩種[6]：

(1) 人工方法。雇傭潛水員攜帶水下攝像機(jī)等設(shè)備進(jìn)行水下檢查。但人工方法受潛水員潛水深度低、工作時(shí)間短、工作條件有限、潛水員危險(xiǎn)性較大等諸多限制；

(2) 隨著水下載人潛水器技術(shù)的成熟，其在科研方面發(fā)揮著重要作用[7]。水下載人潛器搭載作業(yè)工具進(jìn)行水下檢測(cè)[8-9]，首先作業(yè)工具清除壩面附著的泥沙，然后載人艙內(nèi)的工作人員直接觀測(cè)或使用水下電視間接觀測(cè)壩面情況，這種方法對(duì)水質(zhì)要求極高。現(xiàn)有的水下清除作業(yè)工具有壩面機(jī)械清理機(jī)，張立山等[10]設(shè)計(jì)的淹沒式水射流沖泥裝置。這些裝置工作時(shí)都會(huì)使壩面附近水域變渾濁，無(wú)法清晰的觀測(cè)到壩面情況。

因此，設(shè)計(jì)出一個(gè)能在大深度環(huán)境下完成壩面泥沙清除，及時(shí)吸走壩面附近渾濁水，并且可以穩(wěn)定工作的大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具是目前亟需解決的技術(shù)難題。

1 作業(yè)工具工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具搭載于水下潛器，應(yīng)用于壩面泥沙的清除，要求小型化、簡(jiǎn)單化、輕量化。作業(yè)工具系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 作業(yè)工具系統(tǒng)原理圖

沖吸復(fù)合作業(yè)工具由水下電機(jī)、離心泵、控制閥組、沖泥和吸泥工具等元件構(gòu)成。水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵作為系統(tǒng)動(dòng)力源，分別給沖洗工具和抽吸工具提供動(dòng)力。直接沖刷容易引起附近水域渾濁[11]，影響觀察；而通過應(yīng)用射流泵，將壩面渾濁水經(jīng)過管道從潛器的艉部排出，從而保證壩面附近水域清澈，便于觀察。因此本系統(tǒng)將沖洗和抽吸工具進(jìn)行融合，建立沖洗與抽吸復(fù)合噴頭，并通過二位二通換向閥分別控制作業(yè)工具沖洗、抽吸和沖吸復(fù)合工作模式的轉(zhuǎn)化。

1.2 系統(tǒng)組成及參數(shù)

動(dòng)力源：水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵工作提供高壓流體，額定揚(yáng)程30 m，額定流量12 m3/h。

控制閥組：將大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具的2個(gè)電磁截止閥A，B進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，該方案中2個(gè)單閥通徑40 mm，開度3.5 mm，共用1個(gè)閥體，并通過閥體內(nèi)部流道連通，共同使用1個(gè)進(jìn)口，2個(gè)單閥可以互不干擾的獨(dú)立工作。將動(dòng)力源提供的高壓流體分為兩路，一路供給到復(fù)合噴頭噴嘴實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具的沖洗功能；一路供給到射流泵，實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具的抽吸功能；控制閥同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)沖吸復(fù)合功能。

復(fù)合噴頭：將沖泥工具出口噴嘴與抽吸工具進(jìn)口相融合，組成復(fù)合噴頭。沖泥工具噴嘴數(shù)量12個(gè)，噴嘴直徑3.6 mm，長(zhǎng)度為10 mm。

射流泵：作業(yè)工具動(dòng)力源產(chǎn)生的高壓水作為射流泵的工作液體使射流泵內(nèi)部形成低壓，抽吸復(fù)合噴頭所在水域的渾濁水，兩股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)進(jìn)一步混合并進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量傳遞，最后從擴(kuò)散管排出，完成射流泵工作的全過程。依據(jù)作業(yè)工具動(dòng)力源的額定流量與揚(yáng)程以及射流泵理論[12]，射流泵的面積比設(shè)計(jì)為4，噴嘴直徑10 mm，喉管長(zhǎng)度為130 mm。

為克服水深壓力對(duì)工具性能的影響，電機(jī)、電磁鐵、泵驅(qū)動(dòng)腔等殼體采用壓力補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，可適應(yīng)大深度環(huán)境壓力。

1.3 裝置特點(diǎn)

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便。作業(yè)工具搭載于載人潛器，該裝置沖洗與抽吸共同使用1個(gè)動(dòng)力源，將沖洗噴嘴與抽吸噴頭融合為復(fù)合噴頭；

(2) 易于操作。作業(yè)工具工作時(shí)通過控制閥組進(jìn)行工作模式的切換；

(3) 維護(hù)方便。作業(yè)工具的各個(gè)零部件模塊化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；

(4) 多模式切換。沖洗工作模式，抽吸工作模式，沖洗與抽吸復(fù)合工作模式。

2 作業(yè)工具沖洗與抽吸特性仿真分析

2.1 靶距對(duì)流場(chǎng)特性影響分析

在復(fù)合噴頭其余參數(shù)不變的前提下，單純改變射流靶距，在SolidWorks中分別建立射流靶距為60,80，100，120 mm的物理模型，應(yīng)用ANSYS中的DM模塊抽取流體域，采用 Fluent前處理軟件MESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。仿真分析中所采用的參數(shù)設(shè)置及邊界條件如下：

(1) 流體模型——RNGk-ε湍流模型；

(2) 邊界條件——復(fù)合噴頭進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口壓力設(shè)置為0.3 MPa；抽吸出口和流體域出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)置為0 MPa；

(3) 求解設(shè)置——采用SIMPLE算法，離散控制方程組的源項(xiàng)和擴(kuò)散采用二階中心差分格式項(xiàng)，離散控制方程組的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算收斂精度為10-4。

通過仿真分析，射流靶距為60，80，100，120 mm的復(fù)合噴頭出口對(duì)應(yīng)出口射流的最大速度(23.06±0.38) m/s，說明流體經(jīng)過噴嘴獲得的速度大小與外流場(chǎng)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

不同靶距x外流場(chǎng)最大速度v如圖2所示，復(fù)合噴頭在4種靶距下，各截面的速度變化趨勢(shì)基本相同；在外流場(chǎng)中，噴嘴射出的流體與外流體域發(fā)生質(zhì)量和動(dòng)量的交換，速度逐漸變小，在距噴嘴較近處速度衰減劇烈，距噴嘴較遠(yuǎn)處速度衰減逐漸減弱。在射流到達(dá)壁面之前，最大速度的變化曲線相差較小，當(dāng)流體沖擊到壁面時(shí)，速度急劇降低至0 m·s-1。

圖2 不同靶距外流場(chǎng)最大速度曲線

2.2 沖洗工作模式

作業(yè)工具沖洗工作模式時(shí)，控制閥組A閥口關(guān)閉，B閥口開啟，水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵產(chǎn)生的高壓流體經(jīng)過控制閥組閥口B到達(dá)復(fù)合噴頭噴嘴，并從噴嘴射出沖擊到壁面。

應(yīng)用ANSYS仿真軟件中的DM模塊抽取流體域如圖3所示，應(yīng)用MESH模塊對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取網(wǎng)格數(shù)量為7911040個(gè)和9817022個(gè)，應(yīng)用Fluent模塊進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)仿真計(jì)算。2種網(wǎng)格的模擬結(jié)果相差很小，所以從計(jì)算誤差和計(jì)算效率兩方面考慮，最終選定數(shù)量為7911040個(gè)的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 流體域

仿真分析中所采用的參數(shù)設(shè)置及邊界條件如下：

(1) 流體模型——RNGk-ε湍流模型；

(2) 邊界條件——閥組流道入口采用壓力進(jìn)口邊界條件，因動(dòng)力源離心泵的揚(yáng)程為30 m，因此進(jìn)口壓力設(shè)置為0.3 MPa；射流泵出口和流體域出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)置為0 MPa(表壓)；

(3) 求解設(shè)置——采用 SIMPLE 算法，計(jì)算收斂精度為10-4。

作業(yè)工具沖洗工作模式的仿真流體域的壓力分布云圖如圖4所示。觀察壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，沖洗工作模式，流體經(jīng)過控制閥組B閥口到復(fù)合噴頭安裝環(huán)，并從噴嘴射出到外界流體域這一過程中壓力逐漸降低，流體域從閥組進(jìn)口到復(fù)合噴頭安裝環(huán)前這一段壓力范圍在0.2645～0.3000 MPa，閥組管路與噴嘴安裝環(huán)進(jìn)口連接處壓力范圍為0.1935～0.2290 MPa，噴嘴安裝環(huán)整體壓力范圍為0.2290～0.2645 MPa，外部流體域的壓力范圍為0～0.01616 MPa。閥口位置處壓降較低，壓損較?。粐娮彀惭b環(huán)經(jīng)噴嘴射流到外界流體域這一過程壓降最大，即噴嘴處壓損較大。

圖4 壓力分布云圖

作業(yè)工具沖洗工作模式的跡線分布如圖5所示，流體從閥組進(jìn)口進(jìn)入依次經(jīng)過控制閥組、復(fù)合噴頭噴嘴安裝環(huán)，從復(fù)合噴頭噴嘴高速射出沖擊到壁面改變流體運(yùn)動(dòng)方向，一部分從復(fù)合噴頭抽吸進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)射流泵排出；一部分從外界流體域出口流出。噴嘴安裝環(huán)內(nèi)部速度變化明顯，安裝環(huán)進(jìn)口處速度較高，隨距離安裝環(huán)進(jìn)口距離的增加，安裝環(huán)內(nèi)速度逐漸降低，且兩側(cè)速度對(duì)稱分布。這是因?yàn)檫M(jìn)入安裝環(huán)進(jìn)口的流量從安裝環(huán)上均勻分布的噴嘴射出，隨距離噴嘴安裝環(huán)進(jìn)口距離的增加，管路中的流量逐漸變小，所以速度降低。

圖5 跡線分布圖

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為7.2 m3/h，抽吸流量為1.558 m3/h。

2.3 抽吸工作模式

作業(yè)工具抽吸工作模式時(shí)，控制閥組A閥口開啟，B閥口關(guān)閉，動(dòng)力源提供的高壓流體作為射流泵工作流體經(jīng)過控制閥組A閥口進(jìn)入射流泵內(nèi)部，使射流泵工作，抽吸復(fù)合噴頭附近水域流體。

作業(yè)工具抽吸工作模式流體域的壓力分布云圖如圖6所示。觀察壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)沖洗工作模式，流體經(jīng)過控制閥組A閥口作為射流泵的工作液體，從射流泵工作液體進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過吸入室、喉管和擴(kuò)散管從射流泵出口流出到外界流體域，這一過程中壓力先降低再升高。流體域從閥組進(jìn)口到射流泵工作液體進(jìn)口前這一段壓力范圍為0.26810～0.30000 MPa，喉管處壓力范圍為-0.11650～0.08447 MPa，其余外部流體域的范圍為0.05242～0.01616 MPa。

圖6 壓力分布云圖

作業(yè)工具沖洗工作模式的跡線分布如圖7所示，流體在射流泵噴嘴處速度最大為26.90 m/s，外界流體通過復(fù)合噴頭抽吸進(jìn)口進(jìn)入管路，作為射流泵的被吸流體進(jìn)入射流泵內(nèi)部，速度逐漸增加，但小于工作流體的速度。工作流體與被吸流體在喉管內(nèi)部進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量的交換，使混合流體在喉管末端速度變均勻，并從擴(kuò)散管排出。

圖7 跡線分布圖

結(jié)合作業(yè)工具的抽吸工作模式流體域的壓力分布云圖和跡線分布圖，可以得到：作業(yè)工具抽吸工作模式時(shí)，動(dòng)力源離心泵提供的高壓流體，作為射流泵的工作流體，經(jīng)過控制閥組在射流泵噴嘴處形成高速流體射至吸入室，使該區(qū)域形成低壓，與外界環(huán)境壓力形成壓力差，在壓力差的作用下將被吸流體卷吸入吸入室，2股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)充分的混合并進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量傳遞，在喉管末端速度趨于一致，進(jìn)入擴(kuò)散管后，擴(kuò)散管過流面積逐漸增大，將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，從射流泵出口排出。

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為0 m3/h，抽吸流量為8.67 m3/h。

2.4 沖洗與抽吸復(fù)合工作模式

作業(yè)工具沖洗與抽吸復(fù)合工作模式，控制閥組同時(shí)開啟，水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵產(chǎn)生的高壓流體一部分經(jīng)過控制閥組A閥口到達(dá)射流泵工作液體進(jìn)口，使射流泵工作，抽吸復(fù)合噴頭附近水域流體；一部分經(jīng)過控制閥組B閥口到達(dá)復(fù)合噴頭噴嘴，并從噴嘴射出沖擊到壁面。

作業(yè)工具沖洗與抽吸復(fù)合工作模式是沖洗模式與抽吸模式兩者的結(jié)合。流體域的壓力分布云圖如圖8所示，從圖中可以看到?jīng)_洗與抽吸復(fù)合工作模式時(shí)，壓力云圖變化與單作用沖洗模式和抽吸模式相比，整體趨勢(shì)相同，但管路內(nèi)的壓力相對(duì)減小。流體域從閥組進(jìn)口到射流泵工作液體進(jìn)口前這一段壓力與流體域從閥組進(jìn)口到復(fù)合噴頭安裝環(huán)這一段壓力范圍為0.237～0.300 MPa；喉管處壓力范圍為-0.111～0.015 MPa，噴嘴安裝環(huán)整體壓力范圍為0.174～0.205 MPa。

圖8 壓力分布云圖

作業(yè)工具復(fù)合工作模式的跡線分布如圖9所示，沖洗模式與抽吸模式兩者的結(jié)合，但沖擊速度與單作用沖洗模式相比略有減小。

圖9 跡線分布圖

仿真結(jié)果顯示，噴嘴出口流量為6.1 m3/h，抽吸流量為10.08 m3/h。

3 作業(yè)工具試驗(yàn)

大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具實(shí)物如圖10所示。本試驗(yàn)主要根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，通過高壓模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，如圖11所示，試驗(yàn)臺(tái)加卸壓p流程如圖12所示。為驗(yàn)證大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具仿真分析的有效性，進(jìn)行陸地環(huán)境樣機(jī)沖洗模式、抽吸模式、沖吸復(fù)合模式的流量測(cè)試試驗(yàn)，水池試驗(yàn)如圖13所示，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 工具實(shí)物圖

表1 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)

圖11 高壓環(huán)境模擬試驗(yàn)

圖12 加卸壓流程圖

圖13 水池試驗(yàn)

通過耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證了大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具在不同的環(huán)境壓力下具有很好的絕緣、密封與耐壓性能，并且可以穩(wěn)定工作。

對(duì)大深度潛器沖吸復(fù)合清淤工具不同的工作模式進(jìn)行模擬仿真分析，其作業(yè)工具進(jìn)口流量與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差小于11%，兩者的一致性較好。

4 結(jié)論

為清晰觀察水下大壩，設(shè)計(jì)出沖洗與抽吸功能復(fù)合的水壓作業(yè)深水工具。通過CFD數(shù)字仿真分析，得出不同工況下的壓力和流量特性，抽吸流量大于沖洗流量，從而保證沖洗引起的渾水可充分吸走。最后通過水池和壓力筒試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，目前已裝備于我國(guó)首艘大壩檢測(cè)載人潛水器。