喷射式海底挖沟机的参数优化和数值模拟研究

董玉飞，张凯，刘洋

东北石油大学，黑龙江大庆163318

喷射式海底挖沟机的参数优化和数值模拟研究

董玉飞，张凯，刘洋

东北石油大学，黑龙江大庆163318

针对喷射式海底挖沟机效率低的问题，建立了适用于浅海区域喷射式海底挖沟机的物理模型，基于喷射式海底挖沟机特性方程，使用Fluent数值模拟软件对模型进行了数值模拟。分析了喷嘴收缩角度、排泥管扩散角度、挖沟机运行深度及射流入口速度等因素对喷射式海底挖沟机效率的影响，明确了这些因素与挖沟机运行参数（吸泥速度、负压）之间的关系。研究结果表明：喷射式海底挖沟机最大运行效率时的喷嘴收缩角度为45°，排泥管扩散角度是7°；喷射式海底挖沟机最大安全运行深度为100 m且此工况下的最小入口射流速度为8 m/s。

喷射式海底挖沟机；收缩角；扩散角；Fluent

海底挖沟机是埋设海底管道的重要设备之一。目前世界上有多家公司从事挖沟机设备的设计制造或海底油气管道的埋设，比较有代表性的如美国的PSSL及法国的ALCATEL，其中PSSL被认为是挖沟技术的领导者[1]。从1940年开始，一些发达国家研发出适用于海底开沟装备领域的水力喷射式、机械式海底开沟机，海底管道犁等不同形式的设备[2]。1946年SammyCollins首创高压水冲射滑橇（后开沟型），并用于墨西哥湾海底管道开沟作业。近期SMD Hydrovision公司交付EMC的DJsl型水力冲射开沟机的最大管径为1 524 mm，最大作业深度可达300 m[3-5]。海底喷射式挖沟机在工作时，牵引船牵引着挖沟机。挖沟机通过喷嘴内高速工作流体的喷出，喷射室内形成负压，将泥浆吸上来，形成深沟，管道靠自身重力落入沟内，挖沟机再将土回填[6-7]。随着我国海上油田尤其是浅海区域油田的开发，对海底喷射式挖沟机的使用性能和效率的要求不断提高。

目前我国的海底喷射式挖沟机的技术水平和发达国家相比还存在一定差距和问题[8-11]，比如喷嘴结构参数、扩散角度参数等的设置不合理导致运行效率低。本文对海底挖沟机进行了模型建立和数值模拟，分析了开沟机冲射的工作深度、喷嘴角度和扩散角度等工作参数对海底挖沟机工作效率的影响，并给出了挖沟机取最大工作效率时这些参数的最优解，对现场的应用具有一定的指导意义。

1 物理模型的建立

喷射式海底挖沟机的结构组成和物理模型，如图1所示。

喷射式海底挖沟机结构尺寸见表1。

图1 喷射式海底挖沟机物理模型

表1 喷射泵的几何-结构尺寸

2 海底喷射式挖沟机数值模拟

应用Fluent软件对物理模型进行数值模拟。

2.1 喷射式海底挖沟机特性方程

2.1.1 质量守恒方程

对喷射泵进行简化分析后得：

式中：QC为混合流体的流量，kg/s；QP为工作流体的流量，kg/s；QH为从吸泥口吸入流体的流量，kg/s；μ为流量比。

2.1.2 动量守恒方程

对喉管入口截面和出口截面应用动量守恒方程：

式中：φ2为混合室的速度系数；uP为喉管入口截面工作流体的速度，m/s；u2、u3为喉管入口、出口截面吸入流体的速度，m/s；P3为混合流体在喉管出口截面上的静压力，Pa；P2为吸入流体在喉管入口截面上的静压力，Pa；f2、f3为喉管进、出口截面积，m2。

2.2 模型网格划分

使用Gambit对模型进行网格划分，见图2。

图2 喷射泵挖沟机模型网格划分

2.3 边界条件设置

设定入口为压力入口，且喷嘴入口的速度分布为均匀分布，系数k=1.5（uavgI）2，其中uavg为流体的平均速度，湍流强度I=0.16（ReDH）-1/8；喷嘴的出口面定为压力出口，利用壁面函数法来确定计算中的壁面条件[12-16]。首先完成上述模型参数的设定，再利用solve-monitors-residual来设置残差，设其为10-10，然后开始初始化流场，随即开始进行迭代，计算到收敛为止[17-20]。

3 数值模拟结果与分析

3.1 喷嘴收缩角度对运行参数的影响

喷嘴收缩角与吸泥速度和吸泥压力关系曲线见图3。

图3 喷嘴收缩角与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线

由图3可知：吸泥速度与吸泥压力的绝对值均是随着喷嘴收缩角度的增大，先上升到峰值后再下降，吸泥压力变化得比较明显。当喷嘴收缩角度为45°左右时吸泥速度最大，吸泥压力的绝对值最大，吸泥效率最高。

3.2 扩散角度对运行参数的影响

不同扩散角度与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线见图4。

图4 扩散角度与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线

由图4可知：吸泥速度与吸泥压力的值绝对值曲线都是随着扩散角度的不断增大，先上升到峰值后下降，当扩散角度在7°左右时，吸泥速度和吸泥压力绝对值最大，吸泥效率最高。

3.3 挖沟机海底运行深度对运行参数的影响

喷射泵工作水深与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线见图5。

图5 工作水深与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线

由图5可知：随着喷射泵运行深度的加深，吸泥速度和吸泥压力的绝对值越来越小。当水深为110 m时，喷射泵不再工作。这是因为喷射泵出口处压力过高，导致泵在设定的最大速度情况下不能正常工作。确定泵最大工作深度时需采取一定的保险值，所以确定喷射泵最大工作深度为100 m。

3.4 挖沟机射流入口速度对运行参数的影响

喷射泵入口流速与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线见图6。

由图6可知：随着射流入口流体速度逐渐减小，吸泥速度与射流形成的负压绝对值都呈线性减小，由于现场规定的流量为1 500 m3/h，泵的扬程为70 m，折算后设定入口最大速度为37.9 m/s，依次减小进行模拟，当入口速度为8 m/s时吸泥速度刚好能维持喷射泵正常运转，如果入口流速再减小则喷射泵吸泥速度过小，效率太低，将难以支撑开沟机正常开沟作业，所以根据模拟，选取的最小入口流速为8 m/s。

图6 流速与吸泥速度和吸泥压力的关系曲线

4 结论

（1）分析了喷嘴收缩角对喷射式海底挖沟机的影响，喷嘴收缩角为45°时挖沟机效率最高；分析了扩散角度对喷射式海底挖沟机的影响，扩散角度在7°左右时挖沟机效率最大。

（2）确定了喷射式海底挖沟机的最大运行深度为100m，此时的海底挖沟机正常运行的最小流速为8m/s。

（3）综合考虑了喷嘴收缩角度、扩散角度、挖沟机运行深度以及挖沟机射流入口流体的速度等因素对喷射式海底挖沟机效率的影响，分析了这些因素与挖沟机运行参数（吸泥速度、负压）之间的关系。为制造和优化海底挖沟机性能方面提供了理论参考依据。

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Studyon parameters optimization and numericalsimulation ofsubmarine jet trencher

DONG Yufei，ZHANG Kai，LIU Yang
Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China

Aiming at the low efficiency of the submarine jet trencher，a physicalmodelfor the submarine jet trencher working in shallow sea area was established.Based on the characteristic equation for the submarine jet trencher，numericalsimulation was carried out using Fluent software．The influence of the factors such as the nozzle convergent angle，the mud tube divergent angle，the operating depth of the trencher and the inlet jet speed on the efficiency of the submarine jet trencher were analyzed.The relationship between these factors and the operating parameters（mud suction speed，negative pressure）of the trencher was clarified.The results show that the nozzle convergent angle is 45°and the mud tube divergent angle is 7°at the maximum operating efficiency.The maximum safe operating depth is 100 m and the minimum inlet jet flow speed is 8 m/s.

submarine jet trencher；convergent angle；divergent angle；Fluent

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.020

董玉飞（1993-），男，辽宁朝阳人，现就读于东北石油大学，硕士研究生，现从事流固耦合数值计算与数值模拟研究。

2016-11-18；

2016-12-05

Email：10442654854@qq.com