喷嘴结构对耙吸挖泥船高压冲水性能影响的试验研究

张戟，文武，蔺永学，尹纪富，洪国军

（1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208；3.中交上海航道装备工业有限公司，上海 201208）

0 引言

高压冲水是耙吸挖泥船疏浚施工的重要辅助设备之一，在疏浚过程中，可通过高压冲水系统对水下泥土进行冲刷、疏松，达到提高耙吸挖泥船疏浚效率的目的[1-2]。特别是近些年来，随着耙吸挖泥船向大型化和大挖深方向发展，耙头高压冲水的作用变得更加重要。

耙吸挖泥船高压冲水系统一般是由高压冲水泵、管路、水箱和高压喷嘴等诸多部件组成的复杂系统，系统中各个部件均会对高压冲水的冲刷效率产生重要的影响，因此，通过对高压冲水各影响因素进行全面细致的研究对耙吸挖泥船高压喷嘴的结构设计和疏浚施工具有重要的指导意义。

高压喷嘴在一定的冲水压力下，其射流动能越大，喷射能力就越强，冲刷和疏松泥土的能力也就越大，对于耙吸挖泥船高压冲水的性能，国内外专家学者开展过相关的研究[3-9]，然而，耙吸挖泥船疏浚施工过程中的高压冲水系统仍存在许多争论性的问题需要解决，如喷嘴的出口压力、喷嘴的锥角、直管段长度、喷嘴对泥面的喷射角度等。

鉴于此，本文针对耙吸挖泥船常用喷嘴的结构形式，在中交疏浚技术重点实验室多功能风浪流水槽试验平台上开展了不同锥角、不同直管段长度喷嘴的高压冲水性能试验研究，探究锥角和直管段长度对喷嘴射流特性的影响作用，为耙吸挖泥船高压喷嘴的结构设计与疏浚施工提供重要的参考。

1 试验平台

本试验在中交疏浚技术重点实验室古翠路基地多功能风浪流水槽中进行，试验过程中采用原型单个喷嘴进行高压冲水性能的试验测试。试验平台的结构示意图如图1 所示。

图1 高压喷嘴性能研究试验台示意图Fig.1 Schematic diagram of high pressure nozzle performance research test bench

2 试验模型

试验分别研究了喷嘴锥角兹和直管段长度L对射流特性的影响。对于高压喷嘴的锥角，主要针对目前耙吸挖泥船较为常用的喷嘴锥角开展相关的研究。喷嘴模型的出口直径为17 mm，锥角兹 分别为13°锥角、18°锥角和23°锥角。3 个锥角喷嘴的内流道及样品如图2 所示。

图2 不同锥度喷嘴的内流道与样品图Fig.2 Diagram of internal flow passage and sample of nozzles with different tapers

对于喷嘴直管段长度L 对高压冲水射流特性影响的研究，选取了出口直径17 mm、锥度13°，直管段长度L 分别为1D、2D、3D、4D 和5D 等5个喷嘴模型（D 为喷嘴的出口直径）进行研究，不同直管段长度的喷嘴内流道如图3 所示。

图3 不同直管段长度喷嘴内流道（mm）Fig.3 Internal flow passage of nozzles with different length of straight pipe section(mm)

3 结果及分析

3.1 喷嘴锥度对射流特性的影响

试验选取了13°锥角、18°锥角和23°锥角等3个锥角的喷嘴开展高压冲水特性试验。除锥角不同外，其他试验条件均相同，喷嘴出口压力均采用1.6 MPa。

试验过程中采用高清相机在相同位置对3 个不同锥角喷嘴的射流特性进行拍摄。图4 所示为3 个不同锥角喷嘴的射流特性对比图。就直观性来看，13°锥角的射流水流更加集中，23°锥角喷嘴的射流水流散射相对较为明显，18°锥角的射流水流介于13°锥角和23°锥角之间。

图4 不同锥角喷嘴射流扩散角和扩散宽度测量Fig.4 Measurement of jet diffusion angle and diffusion width of nozzles with different cone angles

为了更加清晰地显示不同锥角喷嘴射流的扩散范围，研究其显著差异，对3 个锥角喷嘴的射流水流进行定量化处理，即测量了喷嘴射流水流的扩散角兹1 和5D 射流距离处的扩散宽度L1进行分析，图4 中所标示的数据为测量所得实际数据。

从图4 中所示数据可以看出，喷嘴射流的扩散角兹1 和5D 射流距离处的扩散宽度L1均随着喷嘴锥角兹的增大而增大，且均呈现出线性的变化关系。

综上所述，在所研究的3 个锥度的喷嘴中，13°锥角喷嘴的扩散范围更小，水柱更集中，更有利于泥土的切削。因此，13°锥角喷嘴的评价指标最优，其次为18°锥角的喷嘴，23°锥角喷嘴的评价最差。

3.2 喷嘴直管段长度对射流特性的影响

对于直管段长度L 对高压冲水特性的影响，选取了直管段长度L 分别为1D、2D、3D、4D 和5D 等5 个喷嘴模型进行试验。在试验过程中，除直管段长度不同外，其他试验条件均相同，喷嘴出口压力均采用1.6 MPa。

试验过程中同样采用高清相机在相同位置对5 个不同直管段长度喷嘴的射流水流特性进行拍摄，并对喷嘴射流水流的扩散角兹1 和5D 射流距离处的扩散宽度L1进行测量和分析。

表1 给出了5 个不同直管段长度喷嘴的射流水流扩散角兹1 和5D 射流距离处扩散宽度L1的测量值的统计结果。从表1 中可以看出，对于不同直管段长度的喷嘴，其射流水流扩散角兹1 和5D射流距离处的扩散宽度L1均先随着直管段长度L的增大迅速减小，高压冲水的射流集中度迅速增大；当直管段长度大于3D 之后，扩散角兹1 和扩散宽度L1的变化量和变化速率变得很小。

表1 喷嘴直管段长度评价Table 1 Evaluation of nozzle straight pipe length

综上分析，直管段长度为1D 和2D 时的扩散角和扩散范围均大于3D~5D 直管段长度的喷嘴，且3D~5D 直管段长度的喷嘴的扩散角和扩散范围相差较小，即当直管段长度为1D 和2D 时，高压冲水的散射效应较为明显，而当直管段长度为3D~5D 时，高压冲水的射流集中度较高。因此，施工过程中推荐使用直管段长度为3D~5D 的喷嘴，能够更好地发挥高压冲水的作用。

4 结语

在中国交建疏浚技术重点实验室开展了不同锥角和不同直管段长度喷嘴的射流特性的试验研究，经过对比与分析可得到如下结论。

1）对比研究了13°锥角、18°锥角和23°锥角等3 个喷嘴的射流特性，根据扩散角和5D 射流距离处的扩散宽度可看出，13°锥角喷嘴的射流性能最优，18°锥角喷嘴的射流性能次之，23°锥角喷嘴的射流性能最差。

2）对比分析5 个不同直管段长度的喷嘴，直管段长度1D 和2D 喷嘴射流的扩散角和扩散宽度均大于3D~5D 直管段长度的喷嘴，且3D~5D 直管段长度喷嘴的扩散角和扩散宽度相差较小。因此，推荐使用直管段长度为3D~5D 的喷嘴，能够更好地发挥高压冲水的作用。