射流破土挖沟机的喷嘴及喷射参数仿真分析

卢志飞,胡凯,郑新龙,张磊

射流破土挖沟机的喷嘴及喷射参数仿真分析

卢志飞,胡凯,郑新龙,张磊

国网浙江省电力有限公司 舟山供电公司, 浙江 舟山 316021

射流破土式挖沟机利用一定压力、流速的水流冲击破坏土体，形成埋设海底电缆和管道所需的沟型，并将其埋设在海底底泥中以防止外界的破坏。挖沟机在海底作业时，喷嘴的配置和喷射参数直接影响着的开沟能力和效率。目前国内对射流式挖沟机喷嘴配置和喷射参数的研究还不够透彻，对这些参数对射流开沟的影响还不够明确。针对提高射流破土挖沟机的海底作业效率，增强挖沟机的开沟能力，本文通过仿真分析研究了不同因素，如射流流速、喷射靶距、间距和喷嘴的角度对射流开沟的深度和宽度的影响。借助本文的分析，在挖沟机实际作业中，根据需要埋设电缆的尺寸以及需要埋设的深度，设置合适的喷射条件和喷嘴角度，可以有效增强挖沟机的开沟能力，提高挖沟机的作业效率。

挖沟机; 喷射参数; 数值模拟

射流破土式海缆挖沟机，利用一定压力、流速的水流冲击破坏土体，形成埋缆所需的沟型，其开沟效果主要与喷嘴结构、射流速度、靶距和角度等因素有关[1,3]。

目前，喷嘴结构对射流冲刷的影响已经有了一定的仿真研究。奉虎等人[4]通过Fluent软件对挖沟机单喷嘴射流流场进行了数值仿真，分析了喷嘴进口压力、流量对射流冲击力衰减变化的影响。王喆等人[5]针对某种浅海射流式挖沟机作业时沟内泥浆流场进行了仿真分析，得到合适的喷冲臂喷嘴布置方案。李振升等人[6]通过室内实验和FlOW-3D数值仿真两种方法对不同间距的双喷嘴射流的几何相似性进行了研究。然而目前尚未有针对不同射流配置的冲刷流场的研究，同时对双喷头在不同喷射角度下形成的冲刷沟内流场的研究也比较缺乏。本文利用Star-CCM+流体仿真软件，对不同喷射靶距、喷射流速、喷射角度等冲刷工况下，双喷头的冲刷沟内流场进行仿真研究，为优化海底挖沟机喷射参数、提高作业效率提供技术支撑和参考依据。

1 数学模型

1.1 连续性方程

1.2 动量方程

2 仿真模型

在建立仿真模型时作如下假设：1.土体为各向同性介质；2.流体为不可压缩流体；3.忽略海底洋流对射流破土的影响。

2.1 几何模型

通过Star-CCM+软件里的3D几何建模，建立几何模型，如图1所示。基本参数为：喷嘴直径60 mm，喷嘴间距300 mm，喷射角度为90°，喷射靶距为300 mm。

2.2 边界条件及网格划分

整个模拟区域为3D几何区域，计算流域边界由海水与泥桨的速度入口、压力出口、壁面、对称面组成。边界AB和DC设为对称平面，BC为底边，设为壁面，AD设为压力出口，EH为喷口的速度入口，EFGH为喷口的壁面。由于喷嘴在海水中喷射，射流始终处于淹没状态，为了消除结构网格中节点的结构性限制，增加节点和单元分布的可控性，采用Star-CCM+软件自带的多面体网格进行网格划分，网格划分如图2所示。

图 1 几何模型及边界条件设置

图 2 网格划分

3 仿真结果与分析

本文研究了喷射流速、喷射靶距、喷嘴间距及喷嘴夹角对射流开沟的深度和宽度的影响，研究结果如下所示。

3.1 喷射流速对射流效果影响

图3为不同喷射流速对开沟效果的影响。不同流速下，射流开沟过程都具有相似性。随着时间增加，射流开沟的深度先是在3 s的时间内快速增加至某个最大值，然后迅速下降，经些许波动之后最终稳定在一定值。其原因是在短时间内，底泥被迅速射开一个深坑，随着射流的进行，之前被扰动的泥沙回填入坑内。直到射流与输送泥沙达到稳定，开沟的深度从而最终稳定下来。图4为开沟深度、宽度与速度关系的拟合曲线。从图4可看出，开沟稳定深度变化速率越来越大，而开沟宽度的变化速率越来越小，它们与喷出流速的关系可以拟合成两条指数曲线，其函数方程如表1所示。

图 3 不同流速下开沟深度的变化

图 4 开沟深度、宽度与速度关系拟合

表 1 深度、宽度、速度、靶距关系的拟合情况

3.2 喷射靶距对射流效果影响

图5所示为5组不同喷射靶距对射流开沟效果的影响。

图 5 不同射流靶距下开沟深度变化

图 6 开沟深度、宽度与靶距关系拟合

从图5中可以明显看出，从喷嘴到泥沙表面的靶距越大，射流开沟的最大深度以及稳定深度越浅。其原因是射流流体在到达泥沙之前，周围水体能量损耗随着靶距增加而增大。同时，开沟宽度也随着射流靶距的增大而减小。它们与靶距的关系可以拟合成两个指数函数，函数方程如表1所示。图6为开沟深度、宽度与靶距关系拟合，随着靶距不断增加，开沟的宽度和深度减小的速率逐渐变缓，直至靶距增加到足够大时，喷射的流体对泥沙的作用趋近于零。

图 7 不同喷嘴间距下开沟深度

图 8 不同喷嘴间距下开沟情况

3.3 喷嘴间距对射流效果影响

图7所示为4组不同间距下射流开沟情况。图8所示为不同喷嘴间距下对射流开沟效果的影响，从中可以发现，两个喷嘴的间距越大，其射流开沟的深度越浅（图8(a)）。其中喷嘴间距0.3 m和0.4 m的两组喷头射流开沟的稳定深度几乎一样，其原因是间距过大，两个喷嘴就相当于独立的单喷嘴射流系统。图8(b)所示为不同喷嘴间距下开沟宽度随时间的变化曲线，拟合曲线函数方程（表1）。

3.4 喷嘴夹角对射流效果影响

喷嘴夹角定义为两喷头中轴线的延长线夹角，如图9所示为5组不同喷嘴夹角下射流开沟情况。从中不难看出，随着喷嘴夹角从0°增大到40°，射流开沟的效果发生了明显的变化。图10所示为不同喷嘴夹角下对射流开沟效果的影响。随着喷嘴夹角增大，射流开沟的最大深度和最后稳定深度均有所增。图11所示为不同喷嘴夹角下开沟深度与宽度情况。图11(a)开沟深度仿真数据与拟合曲线，函数方程如表2所示；图11(b)开沟宽度仿真数据。从图11(a)可以看出，喷嘴夹角从0°变为40°，能增加大概0.1 m开沟的深度。但随着喷嘴夹角从0°变为40°，开沟的宽度减少0.25 m左右（图11(b)）。

图 9 不同喷嘴夹角下开沟情况

图 10 不同喷嘴夹角下开沟深度变化

图 11 不同喷嘴夹角下开沟深度与宽度

4 结 论

本文通过仿真分析研究了不同因素，如喷射流量、靶距、喷嘴间距和喷嘴夹角对射流开沟的深度和宽度的影响。本文通过仿真分析发现，随着喷嘴喷出的流体流速增加，开沟的深度和宽度都会增大，但是变化速率有所不同，它们与喷出流速的关系可以拟合成两条相反的指数曲线；从喷嘴到泥沙表面的靶距越大，射流开沟的深度和宽度越浅，它们与靶距的关系也可以拟合成两个指数函数；射流的宽度与喷头间距呈线性关系，间距越大，宽度越宽；喷嘴夹角对射流开沟的效果影响也是可观的。对于挖沟机功率一定的情况下，通过改变喷射臂喷嘴配置，可以有效提高挖沟机的开沟深度。因此，借助本文的分析，在挖沟机实际作业中，根据需要埋设电缆的尺寸以及需要埋设的深度，设置合适的喷射条件和喷嘴角度，可以有效增强挖沟机的开沟能力，提高挖沟机的作业效率。

[1] 高溦.水力冲射海底开沟机的参数优化[D].大连:大连理工大学,2008

[2] 张海朋.海底水力冲射开沟作业数值计算[D].哈尔滨:东北石油大学,2016

[3] 唐立志.适用于硬质黏土的淹没射流物理模型[J].油气储运,2016,35(4):432-438

[4] 奉虎,王艳涛,杜喜军,等.挖沟机喷嘴射流流场的数值模拟[J].中国海洋平台,2016,31(1):50-54

[5] 王喆,袁庆晴,马洪新,等.射流式挖沟机沟内流场数值计算与分析[J].哈尔滨工程大学学报,2015(3):292-296

[6] 李振升,倪福生,顾磊,等.双喷嘴射流冲坑的几何相似性研究[J].机械设计与制造工程,2016,45(1):82-85

Simulated Analysis of Nozzle and Jetting Parameters of a Jetting Trencher

LU Zhi-fei, HU Kai, ZHENG Xin-long, ZHANG Lei

316021,

The jetting trencher destroys the soil by injecting water with high pressure and velocity, forms the trench type needed to bury submarine cable and pipe to prevent them from the destruction outside. When the jetting trencher works on the seabed, the nozzle and jetting parameters directly affect the trenching ability and efficiency. At present, there is a lack of research on nozzle and jetting parameters of jetting trencher in China, and the influence of these parameters on jet trenching is still not clear. In order to improve the working efficiency and enhance the trenching capacity of the jetting trencher, the influence of the different factors, such as the flow rate of the jet, the distance of the jet target, the distance and the angle of the nozzles, on the trenching depth and width are studied in this paper. With the help of the analysis by this paper, in the actual operation of the jetting trencher, according to the cable size and the buried depth, setting the appropriate jetting conditions and nozzle angle can effectively enhance the trenching capacity of the jetting trencher and improve its efficiency.

Trenching machine;jetting parameters; numerical simulation

TM757.4

A

1000-2324(2019)03-0449-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.020

2018-06-12

2018-07-05

国网总部项目:直流电缆运行特性及海缆智能巡检技术研究(52110115007J)

卢志飞(1986-),男,硕士,工程师,主要研究方向为海洋输电线路运维技术. E-mail:hcyrobot@163.com