CN109829250B - 一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，具有如下步骤：确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量；初步确定喷冲臂形状和布置方案；建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型；喷冲臂的几何模型通过建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。本发明提出的喷冲臂的设计及优化，设计精度高，科学性强，在初步设计的基础上，采用CFD技术对喷冲臂的管内流动进行数值模拟，根据模拟结果对喷冲臂的几何参数进行优化，获得最佳设计尺寸，使其喷冲效果达到最优。同时，本设计为射流挖沟机的设计制造提供了参考依据。

Description

一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其中该设备的主要工作是海底管缆的挖沟埋设，属于海洋工程领域。

背景技术

为了防止海底管道、电缆等设备受到人为和自然环境损害，提高使用寿命，通常要对此类设备进行海底挖沟埋设。世界发达国家从上世纪初就开始在海底开沟装备领域进行研究，伴随深水油气田开发及材料、机电等技术发展，目前基本形成水力喷射式挖沟机、海底开沟犁、机械式海底开沟机三类挖沟设备。而国内自主研制的挖沟机仍以喷射式挖沟机为主，结构简单、效率低、故障率高、作业水深浅等。同时国内自主研发的挖沟机大部分不具备自行走功能，工作时需要母船拖拽。

挖沟作业效率与土壤条件、沟型和沟深、海底管道的尺寸、喷射臂的设计等有很大关系。在作业环境和铺设管道尺寸一定的条件下，挖沟机喷射臂的设计便显得尤为重要。本发明主要针对喷冲臂的形状进行初步的设计和优化，在相同水泵扬程条件下，考虑管道沿程损失，采用理论分析和数值模拟相结合的方法进行喷冲臂形状设计，为今后喷射式挖沟机喷冲臂的设计开发提供参考。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，以实现喷冲臂结构和管内流动的优化设计，从而对海底土体的破除和液化，实现该挖沟机对海底管缆的埋设。本发明提出的喷冲臂的优化设计方法，是在相同水泵扬程条件下，考虑管道沿程损失，采用理论分析和CFD数值模拟相结合的方法进行喷冲臂形状设计及优化，从而实现射流挖沟机喷冲臂的优化设计，为今后喷射式挖沟机的设计开发提供参考。

本发明采用的技术手段如下：

一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，具有如下步骤：

S1、确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量：

S11、根据所铺设管道的尺寸确定喷冲沟型；

S12、根据设计速度确定喷冲臂的水流量；

S2、初步确定喷冲臂形状和布置方案：

S21、初步确定喷嘴的数量，位置和角度；

S22、初步确定每个喷嘴的半径；

S23、初步确定喷冲臂的倾斜角度；

S24、创建喷冲臂的几何模型；

S3、建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型：

S31、设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证；

S32、进行数值模拟，选取网格计算方案；

S33、设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证；

S34、进行数值模拟，选取时间步长计算方案；

S4、喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化：

S41、优化喷射臂中心管道的形状；

S42、优化喷嘴的布置和半径；

S43、优化喷射臂中心管道的上除尾喷嘴外的其他喷嘴之间的过渡形式；

S44、优化后的喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析优化后的喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化，重复步骤S41-S44，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。

所述步骤S11中，喷冲沟型的沟型截面为倒梯形。

为了最大程度减少作业量，喷冲沟型需要根据所铺设管道的尺寸来进行确定，且其沟型截面为倒梯形。本发明需要根据喷冲沟型设计出合理的喷冲臂形状和布置方案。

所述步骤S12的具体步骤如下：

以设计速度V开挖喷冲沟型，对应的泥土方量为V_t，则

V_t＝V*(a+b)*2/2；

其中，a为倒梯形的上底，b为倒梯形的下底；

根据泥土方量V_t来确定水流量V_w，满足以下公式：

V_w＝V_t/λ；

其中，λ为泥流比。

所述步骤S2中，喷嘴的数量为15个，其中，10个喷嘴为垂向喷嘴，均匀布置在喷冲臂上，向下喷冲；5个喷嘴为斜向喷嘴，在铅垂面向喷冲沟内侧45°斜向下喷冲，且两个垂向喷嘴和其相邻的两个垂向喷嘴之间设有一个斜向喷嘴；

距离喷嘴靶距X处的打击面上的有效打击压强的公式：

式中R为喷嘴半径，p为出口动压，即p＝0.5ρu²，u为喷嘴出口流速，ρ为水体密度；

为使斜向喷嘴与垂向喷嘴打击面位置处于同一垂向高度，可知斜向喷嘴打击距离X_斜为垂向打击距离X_垂的

倍，即：

因此由上式可知，为使用同样的出口动压，并达到同样有效打击压强，斜向喷嘴半径R_斜和垂向喷嘴半径R_垂应满足：

喷嘴出口流速一致情况下，可得斜向喷嘴流量Q_斜和垂向喷嘴流量Q_垂之比应满足：

Q_斜＝2Q_垂；

由动压定义得：

结合喷嘴出口流速、斜向喷嘴流量和垂向喷嘴流量可得R_斜和R_垂；

除尾喷嘴外的其他喷嘴所在铅垂面与喷冲臂夹角Alpha度，喷冲臂与水平面夹角最大为Alpha度(即最大下摆角度范围)；即可保证除尾喷嘴外的其他喷嘴喷射方向极限情况下也是垂直向下喷冲，不会有前向喷冲速度(当然，由于破土面与喷冲臂摆角一致，垂直向下喷冲也是与破土面成Alpha角度的)。

根据喷冲臂的上述几何参数创建喷冲臂的几何模型。

所述步骤S3的具体步骤如下：

对喷冲臂管道内部流动进行CFD数值模拟，计算采用隐式非定常求解器，物理模型为可实现的k-ε湍流模型，考虑重力，设置壁面粗糙度，给定参考压力；

喷嘴处设置为压力出口(考虑水深差带来的出口压强变化，不同喷嘴出口处根据高度变化设置不同的当地压力)，喷冲臂管道入口依据水泵扬程设置压力入口，取稳定段的结果进行分析；

采用合适数量的网格进行计算不仅可以保证计算结果的准确性，而且可以提高计算效率，所以进行网格无关性验证是十分必要的。本发明通过改变自动网格模块下的基础尺寸的值来调整网格数量，设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证，研究喷冲臂在三种不同网格数量的CFD模型下的计算结果，比较三种网格模型在不同喷嘴出口处的平均速度；

在保证计算结果准确性的前提下，合理优化时间步长可以降低CFD模拟的计算成本，设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证，通过时间步长无关性研究比较三种时间步下的数值计算结果，综合考虑计算精度和计算成本，选择最优的网格计算方案和时间步长计算方案。

本发明提出的喷冲臂的设计及优化，设计精度高，科学性强，在初步设计的基础上，采用CFD技术对喷冲臂的管内流动进行数值模拟，根据模拟结果对喷冲臂的几何参数进行优化，获得最佳设计尺寸，使其喷冲效果达到最优。同时，本设计为射流挖沟机的设计制造提供了参考依据。

基于上述理由本发明可在海洋工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法的流程图。

图2是本发明的具体实施方式中喷冲沟型图。

图3是本发明的具体实施方式中V1.0版本(初始)的喷冲臂的几何模型图。

图4是本发明的具体实施方式中网格划分结果和边界条件设置。

图5是本发明的具体实施方式中V1.0喷冲臂速度流线图。

图6是本发明的具体实施方式中V2.0版本的喷冲臂的几何模型图。

图7是本发明的具体实施方式中V2.0版本的喷嘴出口平均速度图。

图8是本发明的具体实施方式中喇叭口管接头研究中的速度流线图。

图9是本发明的具体实施方式中喇叭口管接头喷嘴出口平均速度图。

图10是本发明的具体实施方式中V3.0版本的喷冲臂的几何模型图。

图11是本发明的具体实施方式中V3.0版本的喷冲臂速度流线图。

图12是本发明的具体实施方式中V3.0版本的喷嘴出口平均速度图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，具有如下步骤：

S1、确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量：

S11、根据所铺设管道的尺寸确定喷冲沟型；

S12、根据设计速度确定喷冲臂的水流量；

S2、初步确定喷冲臂形状和布置方案：

S21、初步确定喷嘴的数量，位置和角度；

S22、初步确定每个喷嘴的半径；

S23、初步确定喷冲臂的倾斜角度；

S24、创建喷冲臂的几何模型；

S3、建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型：

S31、设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证；

S32、进行数值模拟，选取网格计算方案；

S33、设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证；

S34、进行数值模拟，选取时间步长计算方案；

S4、喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化：

S41、优化喷射臂中心管道的形状；

S42、优化喷嘴的布置和半径；

S43、优化喷射臂中心管道的上除尾喷嘴外的其他喷嘴之间的过渡形式；

S44、优化后的喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析优化后的喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化，重复步骤S41-S44，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。

所述步骤S11中，喷冲沟型的沟型截面为倒梯形。

所述步骤S12的具体步骤如下：

以设计速度V开挖喷冲沟型，对应的泥土方量为V_t，则

V_t＝V*(a+b)*2/2；

其中，a为倒梯形的上底，b为倒梯形的下底；

根据泥土方量V_t来确定水流量V_w，满足以下公式：

V_w＝V_t/λ；

其中，λ为泥流比。

所述步骤S2中，喷嘴的数量为15个，其中，10个喷嘴为垂向喷嘴，均匀布置在喷冲臂上，向下喷冲；5个喷嘴为斜向喷嘴，在铅垂面向喷冲沟内侧45°斜向下喷冲，且两个垂向喷嘴和其相邻的两个垂向喷嘴之间设有一个斜向喷嘴；

距离喷嘴靶距X处的打击面上的有效打击压强的公式：

式中R为喷嘴半径，p为出口动压，即p＝0.5ρu²，u为喷嘴出口流速，ρ为水体密度；

为使斜向喷嘴与垂向喷嘴打击面位置处于同一垂向高度，可知斜向喷嘴打击距离X_斜为垂向打击距离X_垂的

倍，即：

因此由上式可知，为使用同样的出口动压，并达到同样有效打击压强，斜向喷嘴半径R_斜和垂向喷嘴半径R_垂应满足：

喷嘴出口流速一致情况下，可得斜向喷嘴流量Q_斜和垂向喷嘴流量Q_垂之比应满足：

Q_斜＝2Q_垂；

由动压定义得：

结合喷嘴出口流速、斜向喷嘴流量和垂向喷嘴流量可得R_斜和R_垂，

除尾喷嘴外的其他喷嘴所在铅垂面与喷冲臂夹角Alpha度，喷冲臂与水平面夹角最大为Alpha度；

根据喷冲臂的上述几何参数创建喷冲臂的几何模型。

所述步骤S3的具体步骤如下：

对喷冲臂管道内部流动进行CFD数值模拟，计算采用隐式非定常求解器，物理模型为可实现的k-ε湍流模型，考虑重力，设置壁面粗糙度，给定参考压力；

喷嘴处设置为压力出口，喷冲臂管道入口依据水泵扬程设置压力入口，取稳定段的结果进行分析；

设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证，研究喷冲臂在三种不同网格数量的CFD模型下的计算结果，比较三种网格模型在不同喷嘴出口处的平均速度；

设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证，通过时间步长无关性研究比较三种时间步下的数值计算结果，综合考虑计算精度和计算成本，选择最优的网格计算方案和时间步长计算方案。

如图1所示，具体优化设计过程：

1.确定喷冲沟型

如图2所示，喷冲沟型需要依据所铺设管道的尺寸来进行确定，本实施例中管道直径D为0.647m，为了最大程度减少作业量，同时满足对管道埋设的要求，喷冲沟型的沟型截面为倒梯形，倒梯形上下底a和b分别为1.15m和0.8m，沟深取为2m。本发明需要根据该沟型设计出合理的喷冲臂形状和布置方案。

2.确定喷冲臂的水流量

以设计速度V＝200m/h开挖喷冲沟型，对应的泥土方量V_t为：

V_t＝200*(1.15+0.8)*2/2＝390m³/h

根据泥土方量V_t来确定水流量V_w，，满足以下公式：

V_w＝V_t/λ；

其中，λ为泥流比，且为0.25，则

V_w＝390/0.25＝1560m³/h；

3.初步确定喷冲臂形状和布置方案

初步设计每个喷冲臂上布置15个喷嘴。其中，10个喷嘴为垂向喷嘴，均匀布置在喷冲臂上，向下喷冲；5个喷嘴为斜向喷嘴，在铅垂面向沟内侧45°斜向下喷冲，且两个垂向喷嘴和其相邻的两个垂向喷嘴之间设有一个斜向喷嘴。除尾喷嘴外的其他喷嘴所在铅垂面与喷冲臂夹角Alpha度，喷冲臂与水平面夹角最大为Alpha度(即最大下摆角度范围)；即可保证除尾喷嘴外的其他喷嘴喷射方向极限情况下也是垂直向下喷冲，不会有前向喷冲速度(当然，由于破土面与喷冲臂摆角一致，垂直向下喷冲也是与破土面成Alpha角度的)。初步设定Alpha为45度。

距离喷嘴靶距X处的打击面上的有效打击压强的公式：

式中R为喷嘴半径，p为出口动压，即p＝0.5ρu²，u为喷嘴出口流速，ρ为水体密度。

为使斜向喷嘴与垂向喷嘴打击面位置处于同一垂向高度，可知斜向喷嘴打击距离X_斜为垂向打击距离X_垂的

倍，即：

因此由上式可知，为使用同样的出口动压，并达到同样有效打击压强，斜向喷嘴半径R_斜和垂向喷嘴半径R_垂应满足：

喷嘴出口流速一致情况下，可得斜向喷嘴流量Q_斜和垂向喷嘴流量Q_垂之比应满足：

Q_斜＝2Q_垂

按照假设的两个喷冲臂共有30喷嘴，其中垂向喷嘴20个，斜向喷嘴10个，每种喷嘴的流量为：

Q_斜＝2Q_垂＝78m³/h；

本实施例取泵的扬程为0.7Mpa，这里出口动压考虑一定的管道损失因素，取为0.6Mpa，由动压定义得：

结合喷嘴出口流速、斜向喷嘴流量和垂向喷嘴流量可得R_斜和R_垂：

R_斜＝1.41cm，R_垂＝1cm。

综上过程，喷冲臂几何参数如下：

挖沟机上共安装两个喷冲臂，每个喷冲臂上布置10个直径为2cm的垂向喷嘴，5个直径为2.82cm的斜向喷嘴；喷嘴与喷冲臂夹角和喷冲臂与水平面最大夹角取为同一值，本次取45°；喷冲臂向管道内侧倾斜约5°，形成倒梯形喷冲沟面。根据喷冲臂的上述几何参数创建喷冲臂的几何模型，如图3所示。

4.建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型

采用STAR-CCM+流体计算软件对喷冲臂管道内部流动进行CFD数值模拟，计算采用隐式非定常求解器，物理模型为可实现的k-ε湍流模型，考虑重力，设置壁面粗糙度为0.1×10^-3m。给定参考压力为20m水深处静水压强，即195721.47Pa。网格划分结果与边界条件设置如图4所示。喷嘴处设置为压力出口(考虑水深差带来的出口压强变化，不同喷嘴出口处根据高度变化设置不同的当地压力)，喷冲臂管道入口依据水泵扬程设置压力入口(总压取0.6Mpa，为母船到管道口之间沿程和局部损失留出压头余量)，取稳定段的结果进行分析，数值模拟速度流线图以及两类喷嘴出口处速度分布图见图5，可以看出出口处速度分布是比较均匀的。但是，喷嘴与主管道连接处延伸长度过大，底部喷嘴易被土体磨损打坏，因此下一步优化考虑改为直接将喷嘴连接到主管道上。

(1)网格无关性验证

通过改变自动网格模块下的基础尺寸的值来调整网格数量，研究V1.0(初始)版本的喷冲臂的几何模型在三种不同网格数量的CFD模型下的计算结果，网格数量分别为65万、90万和136万。比较三种网格模型在2cm和2.82cm直径出口处的平均速度，结果显示中等网格和细网格模型的曲线较为接近，以细网格的计算结果为基准，中等网格与细网格之间的最大偏差仅为0.12％，满足网格收敛性要求，因此本实施例所有研究均采用中等网格模型计算。从计算结果来看，出口平均流速处于32m/s至33m/s之间，基本满足设计中大于30m/s的要求。

(2)时间步长无关性验证

在保证计算结果准确性的前提下，合理优化时间步长可以降低CFD模拟的计算成本。本次时间步无关性研究比较了三种时间步下的数值计算结果，分别为0.0005s、0.001s和0.002s，结果显示时间步变化对计算结果的影响是很小的，几乎可以忽略不计，故本实施例研究均选取0.001s的时间步进行计算。

5.分析V1.0(初始)版本的喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化

(1)V2.0版本的喷冲臂的几何模型(如图6)

针对之前的设计进行改进，减小喷嘴的内倾角。喷嘴内倾角设计原则为使得喷坑外部边缘约10°倾角面。由于第三个喷嘴刚刚开始低于管道平面，因此从第三个喷嘴开始内倾。主要的改进方面包括：

a)喷射臂与水平面的夹角Alpha仍取45°，但将等直径圆管改为上大下小的圆管形状。这既便于形成坡度约10°的开沟剖面，也可以使得两喷射臂间距上下相等，进而便于将挖沟机从管道上方布放到沟内。此外，这种上粗下细形式也可使得管道内流速较为均匀，其30㎝向10㎝口径的过渡形式是根据管道内流速约3m/s设计的，该数值根据给排水工程中建议的管道内经济流速选取。

b)喷嘴布置更改。喷冲臂上共均匀布置15个喷嘴，从上至下前14个喷嘴口径均为2.2㎝，最后一个喷嘴为2.3㎝。之后喷冲臂延伸40㎝后转为水平，并在最后布置口径为3㎝的尾喷嘴。15个喷嘴中，从上到下前两个为垂向喷嘴，后13个为斜向喷嘴，倾斜角度从20°到线性增长的25°。喷嘴采用直接从喷冲臂上开口形式，而非之前设计中的通过喇叭管逐渐过渡形式。喷冲臂总长约3.22m，形成沟面深度约2m。

对V2.0版本的喷冲臂的几何模型进行管道内流动的数值模拟。采用与V1.0版本的喷冲臂的几何模型同样的计算物理模型和边界条件，对V2.0版本的喷冲臂的几何模型进行数值模拟，各喷嘴出口的平均速度如图7所示。结果显示，各喷嘴出口速度集中在27m/s到29m/s之间，未达到设计要求的流速。考虑到出口直管的设计造成的沿程损失是比较大的，无法有效的将水流集中到出口处进行射流输出，因此需要在中心管道与各直管喷嘴之间设置一个喇叭口进行过渡，以最大限度的使出口动能最大化。下一步的优化方向之一便是喇叭口的形状设计。

(2)V3.0版本的喷冲臂的几何模型

本次喷冲臂优化方向主要是在中心管道与各喷嘴之间设置一个喇叭口管接头的过渡形式，以及对各喷嘴的具体布置形式进一步的优化。

首先，喷嘴与主管道间的渐缩角度选取基于如下优化过程：在一条水平管道上布置了若干角度的同口径喷嘴出口，喇叭口管接头的收缩角度分别为3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°、17°、19°、21°、23°、25°、27°、29°、31°、33°、35°共17种形式的出口，喷嘴出口直径2.2cm，中心管道左侧为压力入口(设置为0.6MPa)，右侧为压力出口。计算速度流线图如图8所示(从左至右分别为3°至35°)，不同喇叭口角度对应的出口速度曲线如图9所示。由结果可知，渐缩角度为25°时出口流速最大，故设计的喷嘴收缩角度取为25°。

本次优化对喷冲臂上喷嘴的布置做了进一步的调整，具体布置形式为：喷射臂中心管道直径仍然从30cm到10cm均匀减小；从上至下，1、2、4、6、8、10、12、14号喷嘴口径取为2.2cm不变，倾角按照1号喷嘴0°，14号喷嘴25°的规律相应线性变化；3、5、7、9、11、13、15号喷嘴口径取为2.3cm，倾角按照3号30°，15号25°的规律线性变化。喷嘴与主管道连接处采用25°的渐缩形式，喷冲臂布置如图10所示。

对V3.0版本的喷冲臂的几何模型进行CFD数值模拟计算，各喷嘴出口平均速度结果如图12所示。可以看出，各喷嘴速度均在32.5m/s以上，满足设计要求。喷冲臂速度流线分布和列举的6号、7号、8号、9号喷嘴的出口处的速度分布如图11和图12所示，可以看出管内流体运动以及出口流速分布都是比较稳定均匀的，该形状喷冲臂的设计是较为合理的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量：

S11、根据所铺设管道的尺寸确定喷冲沟型；

S12、根据设计速度确定喷冲臂的水流量；

S2、初步确定喷冲臂形状和布置方案：

S21、初步确定喷嘴的数量，位置和角度；

S22、初步确定每个喷嘴的半径；

S23、初步确定喷冲臂的倾斜角度；

S24、创建喷冲臂的几何模型；

S3、建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型：

S31、设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证；

S32、进行数值模拟，选取网格计算方案；

S33、设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证；

S34、进行数值模拟，选取时间步长计算方案；

S4、喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化：

S41、优化喷射臂中心管道的形状；

S42、优化喷嘴的布置和半径；

S43、优化喷射臂中心管道的上除尾喷嘴外的其他喷嘴之间的过渡形式；

S44、优化后的喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析优化后的喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化，重复步骤S41-S44，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。

2.根据权利要求1所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S11中，喷冲沟型的沟型截面为倒梯形。

3.根据权利要求2所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S12的具体步骤如下：

以设计速度V开挖喷冲沟型，对应的泥土方量为V_t，则

V_t＝V*(a+b)*2/2；

其中，a为倒梯形的上底，b为倒梯形的下底；

根据泥土方量V_t来确定水流量V_w，满足以下公式：

V_w＝V_t/λ；

其中，λ为泥流比。

4.根据权利要求3所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，喷嘴的数量为15个，其中，10个喷嘴为垂向喷嘴，均匀布置在喷冲臂上，向下喷冲；5个喷嘴为斜向喷嘴，在铅垂面向喷冲沟内侧45°斜向下喷冲，且两个垂向喷嘴和其相邻的两个垂向喷嘴之间设有一个斜向喷嘴；

距离喷嘴靶距X处的打击面上的有效打击压强的公式：

式中R为喷嘴半径，p为出口动压，即p＝0.5ρu²，u为喷嘴出口流速，ρ为水体密度；

为使斜向喷嘴与垂向喷嘴打击面位置处于同一垂向高度，可知斜向喷嘴打击距离X_斜为垂向打击距离X_垂的

倍，即：

因此由上式可知，为使用同样的出口动压，并达到同样有效打击压强，斜向喷嘴半径R_斜和垂向喷嘴半径R_垂应满足：

喷嘴出口流速一致情况下，可得斜向喷嘴流量Q_斜和垂向喷嘴流量Q_垂之比应满足：

Q_斜＝2Q_垂；

由动压定义得：

结合喷嘴出口流速、斜向喷嘴流量和垂向喷嘴流量可得R_斜和R_垂，

除尾喷嘴外的其他喷嘴所在铅垂面与喷冲臂夹角Alpha度，喷冲臂与水平面夹角最大为Alpha度；

根据喷冲臂的上述几何参数创建喷冲臂的几何模型。

5.根据权利要求4所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：

对喷冲臂管道内部流动进行CFD数值模拟，计算采用隐式非定常求解器，物理模型为可实现的k-ε湍流模型，考虑重力，设置壁面粗糙度，给定参考压力；

喷嘴处设置为压力出口，喷冲臂管道入口依据水泵扬程设置压力入口，取稳定段的结果进行分析；

设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证，研究喷冲臂在三种不同网格数量的CFD模型下的计算结果，比较三种网格模型在不同喷嘴出口处的平均速度；

设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证，通过时间步长无关性研究比较三种时间步下的数值计算结果，综合考虑计算精度和计算成本，选择最优的网格计算方案和时间步长计算方案。

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