摘" " 要：海底射流式挖溝機(jī)或疏浚設(shè)備的使用過程中涉及到雙噴嘴沖擊射流問題，揭示射流流場(chǎng)的演化規(guī)律有望對(duì)工程問題提供理論支持。使用CFD方法對(duì)二維雙噴嘴淹沒條件下射流沖擊固體壁面問題進(jìn)行建模并求解，分析在不同射流靶距、噴嘴間距以及射流流速下流速場(chǎng)、沖擊區(qū)壓力及剪應(yīng)力的分布特性。驗(yàn)證算例表明，CFD方法可以獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，噴嘴間距越小，沖擊區(qū)壓力分布越大；射流靶距減小時(shí)，射流壓力驟增，且在雙噴嘴之間會(huì)形成振蕩效應(yīng)，讓沖擊區(qū)壓力及剪應(yīng)力大小和位置發(fā)生波動(dòng)。在實(shí)際工程中，應(yīng)注意這種振蕩效應(yīng)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：雙噴嘴；沖擊壓力特性；流場(chǎng)特性；CFD

Numerical study on double-nozzle impinging jet of trencher

ZHENG Qiuming YU Yinhai XUAN Yingjie LYU Weijun LAN Xuejie FAN Zeren

1. Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300461， China

2. School of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

Abstract：Double-nozzle impingingjet is involved in the use of underwater jet trenching machines or dredging equipment. Therefore，theoretical support for engineering problems could be provided if the evolution law of the jet flow field is revealed.In this study， a model was made and solved by the CFD method for the problem of jet impingement on solid walls in the condition of the two-dimensional double nozzle in submergence.This paper analyzed the effect of different impinging distances， nozzle spacing， and jet velocity on the flow velocity field as well as pressure and shear stress distribution in the impact area. The verified result shows that the proposed CFD methodcan achieve good prediction results. The calculation results indicate that pressure distribution in the impact area becomes greater if the nozzle spacing is smaller. When the impinging distance gets closer， the jet pressure suddenly increases.At the same time， an oscillation effect is formed between the two nozzles， causing fluctuations in the magnitude and position of pressure and shear stress in the impact area. In practical engineering， attention should be paid to the impact of this oscillation effect on the stability of mechanical motion.

Keywords：double-nozzle; impinging pressure; flow field; CFD

射流沖擊固體表面的現(xiàn)象在許多工程中廣泛出現(xiàn)，例如油漆噴涂、射流干燥工藝、電弧焊接以及飛機(jī)的垂直起降等[1]。在土木與水利領(lǐng)域，淹沒式水射流沖擊固體的問題也受到重視。一方面，水射流會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物或土體的沖刷與侵蝕，這會(huì)讓結(jié)構(gòu)物遭受短期或長(zhǎng)期的失穩(wěn)威脅；另一方面，射流可被用于清淤、開溝等工程活動(dòng)，這使得射流在航道疏浚、埋設(shè)管道等方面創(chuàng)造了極大的工程價(jià)值[2]。為此，學(xué)者們對(duì)沖擊射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)開展了深入研究。比較早的研究可以追溯到上世紀(jì)六七十年代，Beltaos[3]以空氣為研究介質(zhì)，開展了二維平面及三維圓形噴嘴的沖擊射流試驗(yàn)，對(duì)自由射流區(qū)及壁面射流區(qū)的流場(chǎng)分布、沖擊區(qū)壓力及剪應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)量并推導(dǎo)了相關(guān)預(yù)測(cè)公式。Cooper[4]進(jìn)行了多組不同靶距下的湍流沖擊射流試驗(yàn)，研究了沖擊射流的湍動(dòng)特性以及換熱特性。Craft[5]對(duì)Cooper[4]的湍流沖擊射流試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)使用兩方程渦黏模型和雷諾應(yīng)力模型獲得的模擬結(jié)果差別較大，差別主要反映在對(duì)沖擊區(qū)湍流波動(dòng)和努塞爾數(shù)的預(yù)測(cè)上。Tu[6]開展了多組不同靶距和雷諾數(shù)下的沖擊射流試驗(yàn)，總結(jié)了沖擊壓力及剪應(yīng)力的歸一化規(guī)律。張穎翀[7]通過數(shù)值模擬和PIV試驗(yàn)研究了不同沖擊高度 H/D 對(duì)斜向淹沒沖擊射流的影響，發(fā)現(xiàn)改變沖擊高度會(huì)導(dǎo)致射流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

從以上文獻(xiàn)可見，前人的研究主要以空氣介質(zhì)為主，且多針對(duì)單噴嘴的射流熱交換特性開展研究，而在清淤或開溝問題中，射流機(jī)械一般是多噴嘴的，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有報(bào)道關(guān)于多噴嘴水射流的流場(chǎng)分析。故本文擬針對(duì)雙噴嘴淹沒式水射流沖擊壁面的流場(chǎng)分布特性開展研究，探究沖擊靶距、噴嘴間距以及射流流速對(duì)流場(chǎng)分布、沖擊區(qū)壓力及剪應(yīng)力分布的影響，以期為水利和土木工程中涉及的侵蝕問題提供指導(dǎo)。

1" " 數(shù)值方法及模型

多噴嘴沖擊射流比單噴嘴復(fù)雜程度更高，采用物理試驗(yàn)的方法難以對(duì)其流場(chǎng)特性進(jìn)行瞬態(tài)捕捉。數(shù)值模擬方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)分布情況，捕捉流場(chǎng)瞬態(tài)演化過程，觀測(cè)到一些實(shí)驗(yàn)中不容易觀測(cè)到的流動(dòng)現(xiàn)象，在工程領(lǐng)域已成為重要的科學(xué)研究手段。本文采用商用軟件ANSYS CFX2022R1對(duì)二維淹沒式水射流沖擊剛性壁面的全過程進(jìn)行瞬態(tài)模擬。

1.1" " 控制方程

1.2" " 數(shù)值方法驗(yàn)證

在探究多噴嘴沖擊射流流場(chǎng)特性前，首先對(duì)本文所采用的數(shù)值方法進(jìn)行模型驗(yàn)證。Tu開展了二維單噴嘴垂直沖擊射流試驗(yàn)并測(cè)量了沖擊區(qū)壓力和剪應(yīng)力分布特性。本文建立數(shù)值模型，復(fù)用其試驗(yàn)參數(shù)，即噴嘴直徑D=6.4 mm，Re=11 000， 靶距為4D。使用無(wú)量綱形式進(jìn)行數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，無(wú)量綱剪應(yīng)力形式為200 [τ]/（[ρ]vj2），無(wú)量綱壓力形式為2 p/（[ρ]vj2），結(jié)果如圖1所示。

從圖 1中可見，CFX模擬的壓力及剪應(yīng)力分布情況和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合度良好，可以用于后續(xù)研究分析。

1.3" " 數(shù)值模型及工況

本文主要探究靶距、噴嘴間距以及射速對(duì)射流流場(chǎng)的影響。所有計(jì)算案例見表 1。

模型厚度方向僅有1個(gè)單元，0.01 m，以模擬二維情況；模型總寬10 m，高6 m，全域采用1/8D大小的結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格。為方便后續(xù)分析，將左側(cè)噴嘴命名為1號(hào)噴嘴，其中軸命名為1號(hào)噴嘴中軸；右側(cè)噴嘴命名為2號(hào)噴嘴，其中軸命名為2號(hào)噴嘴中軸，兩噴嘴的對(duì)稱軸，即全域的左右對(duì)稱軸位置，命名為中心對(duì)稱軸。

2" " 結(jié)果分析

2.1" " 基本工況結(jié)果分析

首先對(duì)基本工況的流速矢量場(chǎng)進(jìn)行分析。從圖 3可見，射流首先從噴嘴射出，每股射流都卷吸周圍的靜水產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，此時(shí)噴嘴中軸位置處流速大，兩側(cè)有明顯對(duì)稱分布的旋渦形成。發(fā)展至1.0 s時(shí)，由于兩噴嘴相隔較近，噴嘴中間的旋渦被抑制，外側(cè)旋渦逐漸隨著周圍靜水的卷吸而變大。噴射至3.0 s時(shí)，卷吸作用導(dǎo)致噴嘴外側(cè)的旋渦進(jìn)一步增大，此時(shí)增大的旋渦為左側(cè)順時(shí)針，右側(cè)逆時(shí)針發(fā)展，由于兩噴嘴中間的水流被卷吸進(jìn)入主射流，導(dǎo)致兩噴嘴中間環(huán)境水出現(xiàn)向勢(shì)性核發(fā)展的流速、壓強(qiáng)明顯降低，而由于噴嘴左右兩側(cè)空間較大，壓強(qiáng)并未明顯下降，由此導(dǎo)致了兩勢(shì)性核被壓差擠壓靠近。當(dāng)t=5.0 s時(shí)，勢(shì)性核充分發(fā)展，射流前端到達(dá)底板，此時(shí)明顯可見射流由豎向轉(zhuǎn)向左右兩側(cè)反向發(fā)展，中心對(duì)稱軸位置幾乎沒有流速。隨后，兩噴嘴外側(cè)旋渦逐漸向邊壁移動(dòng)，至12.0 s時(shí)，射流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)主旋渦均已移出計(jì)算域，勢(shì)性核由于中心對(duì)稱軸壓力較低的原因，一直保持向內(nèi)擠壓的狀態(tài)。對(duì)比單噴嘴淹沒沖擊射流而言，雙噴嘴工況下，由于兩噴嘴之間相互影響，最終射流方向均向外側(cè)發(fā)展，這與單噴嘴工況下沿噴嘴軸對(duì)稱發(fā)展的情況截然不同。此外，由于噴嘴間距小和靶距大的原因，并未在中心對(duì)稱軸位置形成噴泉抬升流。

2.2" " 噴嘴間距的影響

圖 4是沖擊靶距H=24D、射速vj=6 m/s、噴嘴間距S=0.8/1.0/1.2 m時(shí)的沖擊區(qū)壁面壓力分布情況。橫軸為x坐標(biāo)，以中心對(duì)稱軸為原點(diǎn)。從圖4可以看出噴嘴間距越小，中心對(duì)稱軸處的壓強(qiáng)越大，且壓力在x方向衰減較快。可以想象當(dāng)噴嘴間距足夠小時(shí)，將趨近于單噴嘴射流情況；噴嘴間距越大，中心對(duì)稱軸位置壓強(qiáng)降低，射流壓力峰值向噴嘴外側(cè)移動(dòng)。

圖5為不同噴嘴間距對(duì)應(yīng)的沖擊區(qū)壁面剪應(yīng)力分布情況。中心對(duì)稱軸位置（即圖5中的原點(diǎn)）為剪應(yīng)力零點(diǎn)，對(duì)于間距S較小的工況，剪應(yīng)力峰值最貼近原點(diǎn)，當(dāng)間距增大時(shí)，剪應(yīng)力峰值降低，且向兩側(cè)移動(dòng)。同時(shí)可以注意到，對(duì)于S=1.0 m、1.2 m的工況，在原點(diǎn)附近有較小的剪應(yīng)力升降過程，這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴間距增大時(shí)，在沖擊壁面附近有部分射流向中心對(duì)稱軸發(fā)展并碰撞。假設(shè)當(dāng)噴嘴間距繼續(xù)增大時(shí)，這個(gè)小突起將更加明顯。

2.3" " 射流射速的影響

圖 6是不同射速下沖擊區(qū)壁面壓力對(duì)比?？梢娫趦蓢娮熘虚g位置出現(xiàn)峰值平臺(tái)，射流流速為10 m/s時(shí)，平臺(tái)下凹；流速為6 m/s時(shí)，平臺(tái)上凸，總體變化并不大，且平臺(tái)寬度基本不變，這說(shuō)明影響平臺(tái)寬度的唯一變量為噴嘴間距。

2.4" " 射流靶距的影響

圖 7為不同射流靶距下沖擊壁面壓力分布情況。明顯可見靶距越小時(shí)沖擊壓力越大，且壓力分布非常集中，沖擊區(qū)壓力梯度極大。圖8為剪應(yīng)力分布情況。按照一般規(guī)律，靶距越小，剪應(yīng)力和壓力都應(yīng)該越大，但是圖8中H=4D工況下剪應(yīng)力峰值小于H=12D工況，且從圖7和圖8都可見靶距極小時(shí)曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，這可以從射流速度云圖（見圖9）來(lái)分析原因。當(dāng)靶距極小時(shí)，兩股射流沖擊到平板形成壁面射流，壁面射流在中心對(duì)稱軸位置相聚形成噴泉抬升流，這種作用在多個(gè)文獻(xiàn)中都有提及[8]，向上發(fā)展的噴泉抬升流在形成初期保持穩(wěn)定，但是隨意的微小擾動(dòng)就會(huì)使其發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)，由于兩噴嘴之間空間較小，抬升流偏轉(zhuǎn)后在兩噴管壁面之間來(lái)回碰撞，發(fā)生振蕩，只有當(dāng)噴嘴射流停止時(shí)振蕩才會(huì)消失。這就解釋了為何在沖擊區(qū)及壁面射流區(qū)應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)。在工程實(shí)際中，為了提高沖擊壓力，一般都會(huì)采用小靶距射流方案，此時(shí)需要注意這種振蕩對(duì)射流挖溝機(jī)穩(wěn)定性的影響。

3" " 結(jié)論

在港口航道疏浚工況及海底管溝開溝工程中，常使用雙噴嘴射流疏浚設(shè)備。研究噴嘴射流流場(chǎng)及沖擊壓力、剪應(yīng)力等分布情況可為工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本文采用CFD數(shù)值分析方法對(duì)二維雙噴嘴淹沒式?jīng)_擊射流過程進(jìn)行建模，分析得到以下結(jié)論：

1）噴嘴間距越小，沖擊區(qū)壓力及剪應(yīng)力越大，壓力分布越集中；

2）改變射流射速并不會(huì)影響沖擊區(qū)壓力平臺(tái)的寬度；

3）靶距減小到一定程度（H=4D）后，沖擊壓力向中心對(duì)稱軸收縮，數(shù)值急劇增加，且產(chǎn)生明顯振蕩效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《射流式自行走水下開溝原理與關(guān)鍵技術(shù)研究》（52231011）。

作者簡(jiǎn)介：

鄭秋明（1984—），男，河北衡水人，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事海底管纜鋪設(shè)、預(yù)調(diào)式、維搶修方向的研究。Email：zhengqm6@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-05-09