耙吸挖泥船耙头固定体喷嘴流场特性数值分析

尹纪富，洪国军，江　帅，袁超哲，邢　津

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海　201208）

耙吸挖泥船耙头固定体喷嘴流场特性数值分析

尹纪富，洪国军，江帅，袁超哲，邢津

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心，上海201208）

耙吸挖泥船高压冲水喷嘴的移动特性对其疏浚效率具有明显影响，通过CFD数值模拟手段对移动耙头固定体喷嘴流场特性进行研究。结果显示：在高压冲水时，喷嘴移动速度对高压冲水的速度及压力具有显著影响，移动速度越快，高压冲水速度场衰减越明显。在超高压冲水时，喷嘴移动速度对其流场特性变化并不显著，尤其在不同喷距时，最大速度并没有明显变化。因此，提高喷嘴的冲水压力可以减小其移动速度对速度等流场特性的影响，从而提高疏浚作业的效率。

耙头；喷嘴；流场特性；数值分析

0　引言

高压冲水是辅助耙吸挖泥船作业的主要形式，尤其对于黏性土，在疏浚过程中容易形成堵耙、结块等现象，高压冲水可发挥重要的作用[1]。耙吸挖泥船耙头固定体喷嘴的结构形式对高压冲水系统的效率有决定性影响，在一定的冲水压力下，高压冲水喷嘴的射流动能越大，其喷射能力越强，冲刷和疏松泥土的能力就越大，从而直接提高耙吸挖泥船的施工效率[2-3]。

目前对喷嘴特性的研究主要侧重于喷嘴的结构长度、喷射角度等方面，对移动高压冲水喷嘴的研究较少[4-6]。耙吸挖泥船在施工过程中，喷嘴跟随耙头移动，在此过程中，静止与移动状态的高压冲水的流动特性具有较大的差别。当喷嘴移动时，其流动特性会发生显著改变，因此对不同移动速度时的高压冲水喷嘴特性进行研究，不仅可以从理论上分析移动冲水喷嘴的流动特性，提高喷嘴的冲水效率，还可以提高疏浚效率，具有重大的经济和社会效益。

本文对喷嘴高压及超高压冲水的流动特性进行了数值分析，主要研究了喷嘴移动速度对高压冲水及超高压冲水流场特性的影响，重点分析了喷嘴移动速度对高压冲的水流速度、压力及涡量场特性的影响，在此基础上还研究了不同超高压冲水时的流场特征，深入揭示了喷嘴移动对流场特征的影响特性。

1　耙吸挖泥船耙头固定体高压冲水喷嘴

耙吸挖泥船耙头部分主要由耙头固定体、活动罩以及辅助管路等组成。其中用于高压冲水的管路是独立分开的，高压冲水通过高压管路进入高压冲水喷口，从而对泥沙进行冲刷和疏松。目前常用的喷嘴结构形式较多，耙吸挖泥船耙头上通常采用的是圆柱形喷嘴。

圆柱形喷嘴结构主要由喷嘴流体入口端直径D1，喷嘴出口直径D2，喷嘴出口端长度L1，收缩段长度L2等参数组成。本文用到的喷嘴的具体尺寸为：D1=0.035 m，D2=0.018 m，L1=0.055 m，L2=0.032 m。

2　数值模拟方法及数值模型

2.1数值模拟方法

不可压弱电介质的Navier-Stokes方程为：

式中：t为时间变量；ρ为电介质密度；v为电介质动力黏性系数；ui（i=1，2，3）、uj（j=1，2，3）为瞬时速度分量；（x1，x2，x3）分别为空间坐标x、y、z；p为扰动压力。

采用SST k-ω对控制方程（1）进行数值模拟与分析，SST k-ω两方程湍流模型能很好地解释湍流应力的输送，并可对负压力梯度下的流动分离给出高精度的预测。因此，本文采用该湍流模型对喷嘴流场进行数值模拟。

在SST k-ω湍流模型中，假定湍动黏度μt及湍动能k与湍动频率ω之间有如下关系：

在对其进行一定的限制后，可得相应的两个输运方程：

湍动黏度的限制公式为：

式中：Pk和Pω为湍流生成项，其定义及模型中相关系数的取值参见文献[7]。

湍流尺度参数lk-ω的表达式为:

式中：βk为模型常数，取值为βk=0.09。

2.2数值模型

喷嘴流场采用三维数值模拟方法，主要边界条件包括喷嘴进口的压力边界、喷嘴壁面的壁面边界、流场的对称边界、出口的压力边界，进行移动喷嘴数值模拟时，采用相对运动的方法，对称边界条件转换为速度入口边界条件。

对三维模型采用六面体网格进行整体网格划分，生成的单元总数为192 000个。在喷嘴壁面采用边界层网格划分近壁面网格。在数值模拟分析时，时间项采用二阶隐式散格、压力项采用二阶迎风格式离散，速度与压力的耦合采用SIMPLE方法、动量方程的离散则采用边界上的二阶迎风格式，计算的时间步长设定为0.005 s。

3　数值模拟结果分析

3.1高压冲水淹没射流特性分析

在喷嘴入口边界设定压力进口，以0.5 MPa高压冲水为例对静止与移动状态的高压冲水特性进行分析。施工时船体移动速度约为1~3 kn，因此，高压冲水喷嘴的移动速度分别为u=0.5 m/s、1.0 m/s和1.5 m/s，记V为射流速度，Vth为喷嘴初始理论速度，计算公式为：，其中Pin为喷嘴进口压力，MPa[8]。

根据移动喷嘴在不同靶距时速度分布计算结果，当移动速度u=0时，速度在y方向上的分布特性为对称分布，且随靶距的增加，最大速度急剧减小，在靶距为1D处，速度为理论速度的0.8倍左右，当超过5D时，速度为理论速度的0.1倍以下。当移动速度u=1.0 m/s时，在1D处，最大速度已有所减小，约为理论速度的0.7倍左右（图1），但依旧关于射流中心线对称，在3D距离处，最大速度处向y方向上偏移了约5D的距离，且在7D、10D处，速度已基本为0。由此可知：在相同靶距时，随着喷嘴移动速度的增加，最大速度逐渐衰减，且移动速度越大，靶距较远处速度衰减越明显。

图1　移动喷嘴在不同靶距时速度分布特性Fig.1　Velocity characteristics of moving water jet nozzles at different jet distance

对高压冲水辅助耙吸挖泥船作业的评价，不仅要看速度场的变化，还要看冲水压力在移动过程中的变化情况。记P为冲水压力，由计算结果可知，相同靶距处的最大压力随着移动速度的增加而明显减小，随着靶距的增加，移动速度越大，最大压力出现的区域出现明显的偏移现象（图2）。相同移动速度时，随着靶距的增加，射流压力衰减极为明显，当靶距超过3D时，射流压力已基本低于0.1倍的喷嘴进口压力。当靶距超过5D时，射流压力衰减到几乎为0。

图2　移动喷嘴不同靶距时射流压力变化特性Fig.2　Pressure characteristics of moving water jet nozzles at different jet distance

涡量是描述旋涡运动最重要的物理量之一，可以从微观描述流体微团的运动形态，从而揭示高压冲水喷嘴的流场特性。由移动喷嘴涡量场计算结果可知，当喷嘴静止时，在射流平面上涡量场呈现对称分布状态，且在较远处涡量场逐渐减弱；随着喷嘴移动速度的增加，涡量场向喷嘴移动的反方向逐渐偏移，且涡量场影响的范围逐渐减小，在喷嘴移动过程中在喷嘴与外界水体接触处出现涡量场的波动特性，且速度越大波动特性越加明显（图3）。

图3　移动喷嘴涡量场变化特性Fig.3　Vorticity characteristics of moving water jet nozzles

3.2超高压淹没冲水射流特性分析

数值分析了10 MPa超高压冲水射流特性，分别对射流中心线速度分布、移动方向上的速度分布以及流场特征进行了分析。对应工况与0.5 MPa时的工况相同，以方便比较较低压力与超高压状态下的速度场及涡量场特性。

由10 MPa射流压力不同靶距时速度计算结果可以看出，在设计工况内，各个靶距阶段的速度最大值并未明显衰减，在1D距离处，速度为理论速度的0.8倍左右，随着靶距的增加，速度最大值逐渐减小。当移动速度u≥1.0 m/s时，靶距大于3D后，速度分布出现关于射流中心线不对称的特征，且向喷嘴移动的反方向偏移（图4），随着喷嘴移动速度的增加，偏移量有所增大，但速度大小并未出现明显的衰减现象。由此可知：超高压冲水与高压冲水不同，在靶距小于10D的范围内，射流速度并未出现明显的衰减现象，且仅当喷嘴移动速度较大时，距离喷嘴较远的靶距内，速度分布出现偏移现象。

图5显示了10 MPa射流压力时喷嘴移动速度对射流中心线速度的影响特性。在计算的工况内，在射流中心线上，射流速度呈现类似指数衰减的分布特性，速度沿射流方向逐渐减小。随着喷嘴移动速度的增加，射流速度并未明显的衰减。

图5　10 MPa射流压力时喷嘴移动速度对射流中心线速度的影响特性Fig.5　Velocity characteristics on the centerline at the 10 MPa jet pressure influenced by moving speed

由10 MPa射流压力时不同靶距射流压力计算结果可知，喷嘴移动速度对超高压射流压力的影响很小，但射流压力沿靶距方向的衰减速度很快，在靶距为1D时，压力约为进口压力的0.6倍，当靶距为3D时，射流压力迅速衰减，约为进口压力的0.05倍，随着靶距的增加，射流压力逐渐衰减。当移动速度u=1.0 m/s时，靶距>3D后，射流压力出现偏移现象，但并不明显（图6）。

图6　10 MPa射流压力时不同靶距射流压力变化特性Fig.6　Pressure characteristics of water jets at different jet distances at the 10 MPa jet pressure

由10 MPa射流压力时涡量场计算结果可知，当喷嘴移动速度u=0 m/s时，喷嘴涡量场特性为狭长的沿射流中心线对称分布的涡。当喷嘴移动速度为u=1.0 m/s时，在距离喷嘴较近的区域内，涡量场也没有明显的变化特性（图7），但是在距离喷嘴较远处区域，涡量场开始向喷嘴移动的反方向偏移，但并不明显。因此可知，在超高压射流10 MPa压力时，在设计工况范围内，喷嘴移动速度对近喷嘴区域的涡量场影响并不明显，但随着速度的增加，在距离喷嘴较远的区域涡量场会发生偏移现象。

图7　10 MPa射流压力时涡量场变化特性Fig.7　Vorticity characteristics of water jets at 10 MPa jet pressure

为了研究不同超高压射流时的流场特征，分别计算了10~50 MPa静止状态的喷嘴涡量场变化特性。由计算结果可知，随着射流压力的增加，涡量场影响的范围明显增加，且涡量的幅值也在增加。当射流压力超过30 MPa后，涡量场在射流方向出现影响范围减小又扩大的现象，且随着射流压力的增加，向外扩展的区域增加明显，这说明超高压喷嘴在淹没水中射流时，起初阶段由于喷射阻力较大，喷射区域逐渐减小，但是当压力超过一定程度后，流场中会出现二次涡的现象，涡量场的影响范围会进一步向下游扩展。

4　结语

通过对移动耙头固定体喷嘴流场特性的数值分析，研究喷嘴移动速度对高压冲水及超高压冲水流场特性的影响，重点分析了喷嘴移动速度对（超）高压水射流速度、压力及涡量场特性的影响。

计算结果表明，提高耙头固定体喷嘴的冲水压力可减小喷嘴移动速度对其冲水速度等流场特性的影响，在正常施工工况下，提高高压冲水压力可改善喷嘴流动特性，从而提高疏浚作业效率。

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Numerical simulation on flow characteristics of water jet nozzle for draghead

YIN Ji-fu,HONG Guo-jun,JIANG Shuai,YUAN Chao-zhe,XING Jin
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment,Shanghai,201208,China）

The moving characteristics of water jet nozzle for draghead has obvious effects on the efficiency of dredging.The CFD numerical simulation is used to research the flow structures of the water jet nozzle.Results show that the moving speed of jet nozzle has significant influence on the velocity and pressure when the high pressure water.The faster the nozzle moving,the flow velocity is more obvious on fading.There are no significant changes in the flow characteristics at ultrahigh pressure water jet.The maximum velocity isn't obvious change in different spray distance.Therefore,improve the nozzle inter pressure can reduce the influence of the moving speed on the flow characteristics to increase the efficiency of the dredging operations.

draghead;water jet nozzle;flow characteristic;numerical simulation

U615.351.2

A

2095-7874（2016）05-0009-04

10.7640/zggwjs201605003

2016-01-04

2016-02-23

尹纪富（1984— ），男，山东临沂人，博士，工程师，主要从事疏浚相关技术及设备研究。E-mail：yinjifu@CCCC-drc.com