耙吸挖泥船超高压淹没水射流特性研究

康学增，江帅，尹纪富*

（1.中交疏浚（集团）股份有限公司，北京100088；2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海201208）

耙吸挖泥船超高压淹没水射流特性研究

康学增1，江帅2，尹纪富2*

（1.中交疏浚（集团）股份有限公司，北京100088；2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海201208）

采用数值模拟方法，研究耙吸挖泥船超高压淹没水射流特性，主要研究了超高压射流喷嘴在射流方向的影响范围、移动速度对射流特性的影响等问题。结果表明：超高压冲水时，随着射流距离的增加，射流动态压力呈现指数衰减特性，射流稳定时间随着射流压力的增加而增加。射流未充分发展时，当射流距离达到一定临界值的情况下，在较远处的射流中心线周围形成反向狭长涡量场，形成的二次漩涡在耙头挖掘过程中可提高疏松土质的效率，从而提高疏浚效率。

耙吸挖泥船；超高压；淹没射流；流场特性

0 引言

目前国内外先进的耙吸挖泥船均配有高压冲水系统，高压冲水是辅助耙吸挖泥船进行作业的必要设备，尤其在黏性土、淤泥等土质施工时发挥了重要的作用[1]。目前国内的耙吸挖泥船所配备的高压冲水一般仅有1~2 MPa，只适用于疏松土质，当遇到较小的渗透系数土质情况下，由于土质抗剪切能力增加，高压冲水效果显著减小。

国外的研究表明，当高压冲水射流压力提高到10 MPa以上，甚至100 MPa时，高压冲水可应用于煤炭开采、石油钻井、金属切割等领域[2-4]。国外大型疏浚公司超高压冲水方面的研究已在十几年前进入到应用层面，在遇到硬黏土或软岩时采用超高压冲水后，疏浚产量提高了20%~30%，在过去的十几年时间里，有关超高压冲水系统工艺的研究已经给国外的四大疏浚集团创造了巨额的经济效益[5-6]。

由于受到施工工艺和相关理论研究不成熟的限制，国内相关的船舶施工的高压冲水压力较低，特别是在耙头移动过程中，射流特性变化引起效率低下的问题，迄今并未解决。鉴于此，有必要对超高压冲水的淹没射流特性进行相关理论研究。本文采用数值模拟方法，主要研究了水下淹没状态超高压冲水喷嘴在射流方向的影响范围以及射流特性等问题。

1 数值方法及模型

1.1 数值方法

不可压缩流动N-S方程为：

式中：t为时间变量；ρ为密度；v为运动黏度；ui、uj为瞬时速度分量；xi、xj为空间坐标（i=1，2，3，j=1，2，3，分别代表x，y，z）；p为压力。

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]。

在k方程耗散项中的湍流尺度参数lk-ω的表达式为：

式中：βk为模型常数，取值为βk=0.09。

1.2 数值模型

数值模型采用的喷嘴入口端直径D1=0.008 m，喷嘴出口直径D2=0.001 4 m，喷嘴出口端长度L1=0.006 m，收缩段长度L2=0.012 m。喷嘴流场采用三维模拟方法。采用全六面体网格进行网格划分，网格总数量为232万，部分网格图如图1所示。

图1 网格示意图Fig.1Grid diagram

由于喷嘴直径较小，因此在喷嘴近壁面采用边界层网格进行近壁网格划分，提高数值模拟精度。数值模型边界条件主要包括压力进口、壁面边界、压力出口边界。数值模拟中，时间项采用二阶隐式的散格，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，计算总时间为25 s。

2 数值结果

2.1 数值结果分析

数值分析时，对10~50 MPa喷嘴入口压力进行了数值分析，喷嘴射流方向为z向，图2给出了不同射流距离时射流压力变化特性。记Pin为喷嘴进口压力；Pd为不同距离时的动态压力。

图2不同靶距时超高压射流压力变化特性Fig.2Pressure variation characteristics of ultra-high pressure jet at different jet distance

图2 结果可知，超高压射流动态压力在8D~ 10D时还接近喷嘴的进口压力，当喷嘴进口压力为10 MPa时，随着射流距离的增加，射流动态压力呈现明显的指数衰减特性，且当射流距离达到40D左右时，射流动态压力Pd趋于0。在相同的计算时间内，当射流压力逐渐增加时，在20D~ 40D时的压力特性发生较明显的变化，当射流压力Pd≥30 MPa时，在射流距离20D~40D间存在1个突起的峰值，动态压力Pd的峰值可达到0.3Pin~ 0.5Pin，说明在计算时间内射流并未达到稳定状态。

图3为10 MPa超高压淹没水射流压力静止和移动时不同靶距时速度变化特性。由图中结果可以看出，当喷嘴静止时（图3（a）），在沿射流垂直的y方向上速度分布呈现对称分布特性，在z=5D处，射流速度与理论速度基本相当，随射流距离的增加，当z=10D时，速度仅为理论速度的0.8倍左右，当z=50D时，射流速度仅为理论速度的0.2倍。当移动速度u=1.5 m/s时，图3（b）所示，射流初始段的速度变化特性与喷嘴静止时相似，射流距离大于10D后，速度分布出现关于射流中心线不对称的特征，当射流距离z=50D，射流最大速度所处的位置向喷嘴移动的反方向偏移了约2.5D的距离，但速度大小并未出现明显衰减。

图3 10 MPa超高压淹没水射流速度变化特性Fig.3Velocity variation characteristics at 10 MPa submerged jet pressure

图4 给出了50 MPa超高压淹没水射流速度特性。由图中结果可知，在此射流压力下，喷嘴的移动速度对不同喷距情况下的速度场分布几乎没有影响。因此提高射流压力，可以减弱移动速度对速度场分布的影响，这对于疏浚施工具有较为重要的工程指导意义。

2.2 超高压射流流场特性分析

淹没射流是一种不断演变的流动，沿流动方向其内部的亚微观情形在不断的演变。静水中的淹没射流是由初始段和基本段构成的，初始段和基本段的交界面可以成为转折断面。在基本段内，射流外边界以内的区域为边界层，其射流宽度随着靶向距离的增加而增大，到无限远处射流完全淹没在周围截止中变为静止流体，边界层内的时均速度分布对称于射流中心轴线。

基于以上淹没射流的流动形态，图5中给出了10 MPa射流压力时涡量场的变化特性，图5（a）为三维涡量场变化特性，图5（b）为在射流方向上不同截面切片出的变化特性。由图中结果可知，沿射流中心线方向，射流靶距越大，其影响的范围也越大，但是其涡量变化特性越小，说明外层流体的旋转运动愈加明显。在切片图中可看出，距喷嘴越远的区域影响范围越大，但射流不能集中于射流中心线周围。在三维涡量图中可看到，虽在射流中显现周围还有涡量场的存在，但其大小相对于射流初始时已显著减弱。

图4 50 MPa超高压淹没水射流速度特性Fig.4Velocity variation characteristics at 50 MPa submerged jet pressure

图5 10 MPa超高压射流涡量场变化特性Fig.5Vorticity characteristics at 10 MPa submerged jet pressure

为观察不同超高压射流时涡量场的变化特性，图6中给出了50 MPa射流压力时涡量场的变化特性，同样，图6（a）为三维涡量场变化特性，图6（b）为在射流方向上不同截面切片处的变化特性，为了便于比较分析，计算时间与10 MPa射流时相同。图中结果可知，当射流压力为50 MPa时，涡量场在垂直于射流方向的区域范围出现减小又扩大的现象，且随着射流压力的增加，向外扩展的区域增加明显，此现象文献[9]中已提出，但并未给出详尽阐述。

在静止的水中进行超高压射流，当压力未达到一定程度时，射流强度并不能突破周围流体交换时的边界层效应，沿程涡量场变化区域逐渐增大到达极限，不能再发展。由于射流的自模性[10]，在沿流程发展的流动中，流动将紊动向射流方向输运，任意断面的流动状态取决于其上游断面的流动特性，因为其下游的流动特性是上游某一断面的流动结构发展而来的。当压力超过一定程度后，射流为充分发展前，前序不能发展的涡量场在收缩的过程中被后续的涡量向射流方向上输运，逐渐形成二次漩涡，而这种现象增加了射流稳定所需要的时间，这也和动态压力的变化趋势相吻合。

图6 50 MPa超高压射流涡量场变化特性Fig.6Vorticity characteristics at 50 MPa submerged jet pressure

图7 中给出了10 MPa和50 MPa射流截面涡量场的变化特性。图中结果更是形成鲜明的对比，当射流压力为10 MPa时，涡量场影响范围较小，切射流中心线上在靶距较远时并未形成鲜明的二次漩涡结构，说明此时射流已充分发展。而当射流压力为50 MPa时，射流未充分发展，形成了明显的二次涡结构，并且在射流中线上，在靶距较远处形成了反向狭长的涡量场。因此在疏浚过程中，形成二次漩涡，对于疏松泥土、冲刷泥沙是较为有利的。

图7 10 MPa和50 MPa超高压射流截面涡量场特性对比Fig.7Comparison of vorticity characteristics at jet cross-section under 10 MPa and 50 MPa jet pressures

3 结语

采用数值模拟方法，研究了耙吸挖泥船超高压冲水特性，主要研究了淹没水下超高压冲水喷嘴在射流方向的影响范围、移动速度对射流特性的影响特性等问题。重点分析了超高压射流压力及移动速度对其流场特性的影响，得出如下结论：

1）超高压射流动态压力在射流压力为10 MPa时，随射流距离的增加呈现指数衰减特性，当射流达到一定距离时，射流压力动态压力趋于零，随着射流压力的增加，射流动态压力稳定所需的时间增加。

2）静止超高压射流时，在沿射流垂直的y方向上速度分布呈现对称分布特性，当喷嘴移动时，当射流距离达到一定程度后，速度分布出现关于射流中心线不对称的特征，射流最大速度所处的位置向喷嘴移动的反方向偏移，但速度大小并未出现明显衰减，当压力增加后，移动速度对射流速度的分布几乎没有影响。

3）当超高压射流压力增加后，射流充分发展所需的时间增加，在相同的计算时间内，射流未充分发展，加上射流强度突破周围流体交换时的边界层效应，前序中不能发展的涡量场在收缩的过程中被后续的涡量向射流方向上输运，形成二次漩涡。

由以上结论可以看出：对于疏浚过程，射流压力的增加可减少喷嘴移动速度对其速度场的影响，射流未充分发展时，超高压压力引起的二次漩涡可以促进泥土的疏松与冲刷，从而提高疏浚作业的效率。

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[9]尹纪富，洪国军，江帅，等.耙吸挖泥船耙头固定体喷嘴流场特性数值分析[J].中国港湾建设，2016，36（5）：9-12. YIN Ji-fu,HONG Guo-jun,JIANG Shuai,et al.Numerical simulation on flow characteristics of water jet nozzle for draghead[J]. China Harbour Engineering,2016,36(5):9-12.

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The flow characteristic of submerged ultra-high pressure jet on TSHD

KANG Xue-zeng1,JIANG Shuai2,YIN Ji-fu2*
（1.CCCC Dredging(Group)Company Limited,Beijing 100088,China;2.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Through the numerical simulation method,we studied the characteristics of submerged ultra-high pressure jet of trailing suction hopper dredge(TSHD),mainly studied the influence range of the high pressure jet nozzle in the direction of the jet,and the influence of the moving velocity on the characteristics of the jet are studied.Results show that the dynamic pressure of the jet decreases exponentially with the increase of the jet distance,and the steady time of the jet increases with the increase of the jet pressure when the ultra-high pressure flushing.When the jet is not fully developed and the jet distance reaches a certain critical value,a reverse vortex field is formed in the center of the jet centerline.The twice vortex structure can improve the efficiency of loose soil on the dredging process，increase the efficiency of the dredging operations.

trailing suction hopper dredge(TSHD);ultra-high pressure;submerged jet;flow characteristic

U615.351.2

A

2095-7874（2017）05-0001-05

10.7640/zggwjs201705001

2017-02-13

2017-04-25

康学增（1958—），男，河北黄骅人，硕士，高级工程师，总裁，从事疏浚技术研究及管理工作。

*通讯作者：尹纪富，E-mail：yinjifu@cccc-drc.com