CN109902363B - 喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于具有如下步骤：S1、喷嘴参数的设计；S2、喷嘴参数的选取；S3、几何模型的建立；S4、边界条件设定和网格划分；S5、利用Flow‑3D进行数值模拟；S6、结果处理及分析。本发明可以模拟喷嘴冲刷破土的整个过程并测取冲刷沟剖面的尺寸，对得到的结果进行分析可验证喷嘴半径参数设计的合理性以及为倾斜角度参数的设计提供了一定参考。

Description

喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种根据射流压强公式进行喷射式挖沟机喷嘴参数设计及数值模拟的方法，属于机械工程领域。

背景技术

随着人类对海洋资源的不断勘测与开发，海底管道将成为海底资源运输的重要途径。为了保护海底管道不受人为和自然的破坏，就需要将管道进行挖沟掩埋。目前应用最广泛的挖沟掩埋方法就是后挖沟法，该方法是当海底管道沉放在海床上之后将挖沟机骑在海底管道上进行挖沟，并随着挖沟机的前进，管道自动沉入沟底，同时沟两侧沙土以及悬浮的泥沙在水流和波浪作用下自然回积到沟内。喷射式挖沟机就是后挖沟法中应用最多的挖沟机，其工作原理是利用从喷嘴喷出的高压水射流冲刷海管两侧下部海床，破除海床土层或将土体液化，在海管下方形成沟槽。喷射式挖沟机设计有两根对称的喷射臂，分别骑在管道的两侧。喷射臂上安装了一系列喷嘴，喷嘴的参数设计是挖沟机设计中的关键技术之一，并且对冲刷沟形起到决定性影响。国内外研究者对于喷嘴的参数设计与优化做了大量研究。

对于喷射式挖沟机喷嘴的设计及优化的研究有实验模拟方法和数值模拟方法。实验模拟方法符合实际的物理条件，并可对射流参数及射流冲刷过程进行真实监测，如YangGeunyoung运用实验方法得到了射流在轴心方向上的速度衰减与喷嘴内部流道型线相关。目前数值模拟方法即计算流体力学方法(CFD)在喷嘴参数设计及射流与土体相互作用方面应用非常普遍，取得了很大的成功，且计算效率高，计算速度快，结果预测准确。如高溦通过数值模拟对喷嘴不同的收缩段长度、圆柱段长度、扩散段长度以及收缩角度进行了研究；吴强从数值两方面对喷嘴的形式及组合方式进行分析。

过去的研究主要集中于喷嘴的形式、各段长度、收缩角度等参数，针对喷嘴直径大小的设计却没有提出合理且普适的方法。随着实际海底挖沟作业对沟形的要求越来越为严格，这就需要对射流冲刷出符合实际需求的坑形进行精准的计算模拟，而倾斜喷嘴的倾斜角度参数对实际坑形有着非常重要的影响。因此结合喷嘴的直径和倾斜角度提出一种新的设计方法将会使喷嘴参数设计及优化更加合理，适用性更强，应用较为广泛。利用数值模拟对倾斜角度对冲刷坑形的影响规律进行研究则会为不同沟形需求的喷嘴倾斜角度设计提供一定的参考价值。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法。本发明采用的技术手段如下：

一种喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，具有如下步骤：

S1、喷嘴参数的设计

根据距离喷嘴x处的射流有效压强计算公式：

推导出满足倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处射流有效压强相等时的喷嘴半径和倾斜角度之间的关系式：

其中，R为喷嘴半径，p为喷嘴出口动压，R_垂为垂向喷嘴半径，R_斜为倾斜喷嘴半径；

S2、喷嘴参数的选取

根据步骤S1推导出的公式

先确定垂向喷嘴半径R_垂为固定值，再选取不同的倾斜角度β，得到不同的倾斜喷嘴半径R_斜；

S3、几何模型的建立

根据步骤S2选取的喷嘴参数，利用Solidworks建立垂向喷嘴和倾斜喷嘴组合几何模型；

S4、边界条件设定和网格划分

将步骤S3建立的喷嘴组合几何模型导入到Flow-3D中，将计算域划分成上下相互连接的两个block，对两个block边界进行定义，对计算域进行网格划分并检查网格质量；

S5、利用Flow-3D进行数值模拟

添加泥沙物理模型并定义泥沙参数，设置计算域的初始条件，时间步长，计算物理时长，最大迭代次数；

在Flow-3D中开始数值求解；

S6、结果处理及分析

导出步骤S5中Flow-3D计算结果中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并进行分析。

所述步骤S1中，由向内倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴出口在同一垂向高度可知，其靶距x_斜为垂向打击距离x_垂的

倍，即：

将其代入射流有效压强计算公式，为使用同样的出口动压，使倾斜喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处达到同样的射流有效压强，推导出应满足：

步骤S4中，定义上部的block四周的边界为：X_Max、X_Min、Y_Max和Y_Min，且都设置为压力出口边界(pressure)，压力值设置为0，这使溢流的流体从上部的block的四周边界流出，使计算域内液体保持在固定的高度。上部的block的Z_Max设置为压力入口边界，压力值设为喷嘴入口压力；

由于上部的block的Z_Min与下部的block的Z_Max连接，因此将上部的block的Z_Min设置为默认边界，这样在初始化时软件将自动与block的Z_Max连接；

定义下部的block的四个边界为：X`<sub>Max</sub>、X`_Min、Y`<sub>Max</sub>和Y`_Min，且都设置为墙边界(wall)，下部的block的Z`<sub>Min</sub>由于是泥沙，因此也设置为墙边界，下部的block的Z`_Max设置为默认边界，与上部的block的Z_Min边界连接；

对两个block中的喷嘴及其冲刷区域三个方向上的网格尺寸进行加密，计算域两侧的网格则设置稀疏，目的是为了合理控制网格数量。

所述步骤S5中，泥沙物理模型通过跟踪悬沙的含沙浓度C_s和底沙的含沙浓度C_p，来计算泥沙体积分数，总泥沙体积分数α_s是网格中悬沙和底沙的总体积分数，表达式为：

其中，α_f为网格中流体的体积分数，ρ_s为泥沙颗粒密度，底沙体积分数的表达式为α_s，p＝C_p/ρ_s,悬沙体积分数的表达式为α_s，s＝C_s/ρ_s,临界泥沙体积分数为α_cr,且总泥沙体积分数α_s小于等于临界泥沙体积分数α_cr，泥沙物理模型中需要定义的泥沙参数有：中值粒径，单位m，泥沙密度，单位kg/m³，夹带系数α_i，推移质系数β_i，休止角，单位°，临界泥沙体积分数；

湍流模型选用Flow-3D中适用于水流对泥沙造成局部冲刷计算的RNGk-ε模型：

其中：ρ为流体密度；t为时间；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；α_k、α_ε为湍流普朗特数的倒数；μ_eff和R为修正参数；G_k和G_b分别为层流速度梯度和浮力引起的湍流动能；Y_M为可压缩流体湍流扩张贡献量；C_1ε、C_2ε、C_3ε为经验常数。

所述步骤S6中，导出步骤S5中Flow-3D计算结果中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并绘制出射流冲刷沟剖面；

通过分析最大沟深参数，以验证倾斜喷嘴和垂向喷嘴作用到同一垂向距离的泥沙表面有效压强相等，说明设计方法的合理性；

通过分析射流冲刷沟剖面的几何形状，总结出喷嘴倾角大小对沟剖面影响规律。

本发明可以模拟喷嘴冲刷破土的整个过程并测取冲刷沟剖面的尺寸，对得到的结果进行分析可验证喷嘴半径参数设计的合理性以及为倾斜角度参数的设计提供了一定参考。

基于上述理由本发明可在机械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喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法的流程图。

图2是本发明的具体实施方式中垂向喷嘴和倾斜喷嘴组合的几何模型的正视图。

图3是本发明的具体实施方式中垂向喷嘴和倾斜喷嘴组合的几何模型的侧视图。

图4是本发明的具体实施方式中计算域block的划分及边界条件示意图。

图5是本发明的具体实施方式中计算域网格划分示意图。

图6是本发明的具体实施方式中垂向喷嘴半径1cm，倾斜喷嘴半径1.41cm，倾斜角度45°时射流冲刷沟剖面示意图。

图7是本发明的具体实施方式中垂向喷嘴半径1cm，倾斜喷嘴半径1.15cm，倾斜角度30°时射流冲刷沟剖面示意图。

图8是本发明的具体实施方式中垂向喷嘴半径1cm，倾斜喷嘴半径1.04cm，倾斜角度15°时射流冲刷沟剖面示意图。

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。

如图1所示，一种喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，具有如下步骤：

S1、喷嘴参数的设计

根据距离喷嘴x处的射流有效压强计算公式：

推导出满足倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处射流有效压强相等时的喷嘴半径和倾斜角度之间的关系式：

其中，R为喷嘴半径，p为喷嘴出口动压，R_垂为垂向喷嘴半径，R_斜为倾斜喷嘴半径；

S2、喷嘴参数的选取

根据步骤S1推导出的公式

先确定垂向喷嘴半径R_垂为固定值，本实施例中R_垂＝1cm，再选取不同的倾斜角度β，本实施例中，β分别为15°，30°和45°，得到不同的倾斜喷嘴半径R_斜分别为1.04cm，1.15cm和1.41cm；

S3、几何模型的建立

计算中以一个垂向喷嘴和一个倾斜喷嘴组合建立成一个几何模型；

根据步骤S2选取的喷嘴参数，利用Solidworks建立垂向喷嘴和倾斜喷嘴组合几何模型，分别是：半径1cm的垂向喷嘴和半径1.04cm、倾斜15°倾斜喷嘴组合模型(如图2、图3所示)；半径1cm的垂向喷嘴和半径1.15cm、倾斜30°倾斜喷嘴组合模型；半径1cm的垂向喷嘴和半径1.41cm、倾斜45°倾斜喷嘴组合模型，垂向喷嘴和倾斜喷嘴出口保持在同一垂向高度，喷嘴收缩角相同。

S4、边界条件设定和网格划分

将步骤S3建立的喷嘴组合几何模型导入到Flow-3D中，将计算域划分成上下相互连接的两个block，对两个block边界进行定义，对计算域进行网格划分并检查网格质量；

S5、利用Flow-3D进行数值模拟

添加泥沙物理模型并定义泥沙参数，设置计算域的初始条件，时间步长，计算物理时长，最大迭代次数；

在Flow-3D中开始数值求解；

S6、结果处理及分析

导出步骤S5中Flow-3D计算结果(三个不同喷嘴参数工况)中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并进行分析。

其中半径1cm的垂向喷嘴和半径1.41cm、倾斜45°倾斜喷嘴组合模型冲刷出的沟形剖面如图6所示，其中，垂向喷嘴与倾斜喷嘴冲刷出两道沟，冲刷剖面的最大沟深几乎相等，这说明从两个喷嘴出口的射流作用到泥沙表面上的有效冲击压强也几乎相等，达到喷嘴半径设计目的，两沟的中间有明显的凸起，说明泥沙在沟内堆积，不能被有效的冲出，不符合实际作业需求的理想沟形。半径1cm的垂向喷嘴和半径1.15cm、倾斜30°倾斜喷嘴组合模型冲刷出的沟形剖面如图7所示，垂向喷嘴与倾斜喷嘴能冲刷出接近一道共同的沟，沟的底部有较大的平整区域，冲刷剖面的最大沟深为0.169m，这说明分别从两个喷嘴出口的射流作用到泥沙床面上的有效冲击压强保持一致；沟内大部分泥沙都已经被冲刷到沟外，且坑的直径较宽，能满足一些实际海底挖沟作业对沟形的要求。半径1cm的垂向喷嘴和半径1.04cm、倾斜15°倾斜喷嘴组合模型冲刷出的沟形剖面如图8所示，垂向喷嘴与倾斜喷嘴能冲刷出同一道沟，最大沟深0.177m，这说明从两个喷嘴出口的高压水流作用到沙质表面上的有效冲击压强相等；冲刷剖面的最大直径为1.57m。沟底区域平整，不存在凸起部分，说明沟内泥沙已被全部冲出。由图都可以看出垂向喷嘴与倾斜喷嘴冲刷出的最大沟深相等，证明了满足关系式

两个喷嘴出口的射流处于同一垂向高度时能达到同样有效打击压强，体现了该设计方法合理可行。定性分析了当喷嘴长度和靶距固定时，随着倾斜喷嘴倾斜角度增大会出现冲刷出两道沟的可能性。

所述步骤S1中，由向内倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴出口在同一垂向高度可知，其靶距x_斜为垂向打击距离x_垂的

倍，即：

将其代入射流有效压强计算公式，为使用同样的出口动压，使倾斜喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处达到同样的射流有效压强，推导出应满足：

如图4所示，步骤S4中，定义上部的block四周的边界为：X_Max、X_Min、Y_Max和Y_Min，且都设置为压力出口边界(pressure)，压力值设置为0，上部的block的Z_Max设置为压力入口边界，压力值设为喷嘴入口压力；

由于上部的block的Z_Min与下部的block的Z_Max连接，因此将上部的block的Z_Min设置为默认边界，这样在初始化时软件将自动与block的Z_Max连接；

定义下部的block的四个边界为：X`<sub>Max</sub>、X`_Min、Y`<sub>Max</sub>和Y`_Min，且都设置为墙边界(wall)，下部的block的Z`<sub>Min</sub>由于是泥沙，因此也设置为墙边界，下部的block的Z`_Max设置为默认边界，与上部的block的Z_Min边界连接；

如图5所示，对两个block中的喷嘴及其冲刷区域三个方向上的网格尺寸进行加密，计算域两侧的网格则设置稀疏，目的是为了合理控制网格数量。

所述步骤S5中，泥沙物理模型通过跟踪悬沙的含沙浓度C_s和底沙的含沙浓度C_p，来计算泥沙体积分数，总泥沙体积分数α_s是网格中悬沙和底沙的总体积分数，表达式为：

其中，α_f为网格中流体的体积分数，ρ_s为泥沙颗粒密度，底沙体积分数的表达式为α_s，p＝C_p/ρ_s,悬沙体积分数的表达式为α_s，s＝C_s/ρ_s,临界泥沙体积分数为α_cr,且总泥沙体积分数α_s小于等于临界泥沙体积分数α_cr，泥沙物理模型中需要定义的泥沙参数有：中值粒径，单位m，泥沙密度，单位kg/m³，夹带系数α_i，推移质系数β_i，休止角，单位°，临界泥沙体积分数；

湍流模型选用Flow-3D中适用于水流对泥沙造成局部冲刷计算的RNGk-ε模型：

其中：ρ为流体密度；t为时间；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；α_k、α_ε为湍流普朗特数的倒数；μ_eff和R为修正参数；G_k和G_b分别为层流速度梯度和浮力引起的湍流动能；Y_M为可压缩流体湍流扩张贡献量；C_1ε、C_2ε、C_3ε为经验常数。

所述步骤S6中，导出步骤S5中Flow-3D计算结果中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并绘制出射流冲刷沟剖面；

通过分析最大沟深参数，以验证倾斜喷嘴和垂向喷嘴作用到同一垂向距离的泥沙表面有效压强相等，说明设计方法的合理性；

通过分析射流冲刷沟剖面的几何形状，总结出喷嘴倾角大小对沟剖面影响规律。

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)

1.一种喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、喷嘴参数的设计

根据距离喷嘴x处的射流有效压强计算公式：

推导出满足倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处射流有效压强相等时的喷嘴半径和倾斜角度之间的关系式：

其中，R为喷嘴半径，p为喷嘴出口动压，R_垂为垂向喷嘴半径，R_斜为倾斜喷嘴半径；

S2、喷嘴参数的选取

根据步骤S1推导出的公式

先确定垂向喷嘴半径R_垂为固定值，再选取不同的倾斜角度β，得到不同的倾斜喷嘴半径R_斜；

S3、几何模型的建立

根据步骤S2选取的喷嘴参数，利用Solidworks建立垂向喷嘴和倾斜喷嘴组合几何模型；

S4、边界条件设定和网格划分

将步骤S3建立的喷嘴组合几何模型导入到Flow-3D软件中，将计算域划分成上下相互连接的两个block，对两个block边界进行定义，对计算域进行网格划分并检查网格质量；

S5、利用Flow-3D进行数值模拟

添加泥沙物理模型并定义泥沙参数，设置计算域的初始条件，时间步长，计算物理时长，最大迭代次数；

在Flow-3D中开始数值求解；

S6、结果处理及分析

导出步骤S5中Flow-3D计算结果中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并进行分析。

2.根据权利要求1所述的喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，由向内倾斜β度喷嘴和垂向喷嘴出口在同一垂向高度可知，其靶距x_斜为垂向打击距离x_垂的

倍，即：

将其代入射流有效压强计算公式，为使用同样的出口动压，使倾斜喷嘴和垂向喷嘴在相同垂向距离处达到同样的射流有效压强，推导出应满足：

3.根据权利要求1所述的喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中，定义上部的block四周的边界为：X_Max、X_Min、Y_Max和Y_Min，且都设置为压力出口边界，压力值设置为0，上部的block的Z_Max设置为压力入口边界，压力值设为喷嘴入口压力；

由于上部的block的Z_Min与下部的block的Z_Max连接，因此将上部的block的Z_Min设置为默认边界；

定义下部的block的四个边界为：X`<sub>Max</sub>、X`_Min、Y`<sub>Max</sub>和Y`_Min，且都设置为墙边界，下部的block的Z`_Min由于是泥沙，因此也设置为墙边界，下部的block的Z_Max设置为默认边界，与上部的block的Z_Min边界连接；

对两个block中的喷嘴及其冲刷区域三个方向上的网格尺寸进行加密，计算域两侧的网格则设置稀疏，目的是为了合理控制网格数量。

4.根据权利要求1所述的喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S5中，泥沙物理模型通过跟踪悬沙的含沙浓度C_s和底沙的含沙浓度C_p，来计算泥沙体积分数，总泥沙体积分数α_s是网格中悬沙和底沙的总体积分数，表达式为：

其中，α_f为网格中流体的体积分数，ρ_s为泥沙颗粒密度，底沙体积分数的表达式为α_s，p＝C_p/ρ_s，悬沙体积分数的表达式为α_s，s＝C_s/ρ_s，临界泥沙体积分数为α_cr，且总泥沙体积分数α_s小于等于临界泥沙体积分数α_cr，泥沙物理模型中需要定义的泥沙参数有：中值粒径，单位m，泥沙密度，单位kg/m³，夹带系数α_i，推移质系数β_i，休止角，单位°，临界泥沙体积分数；

湍流模型选用Flow-3D中适用于水流对泥沙造成局部冲刷计算的RNGk-ε模型：

其中：ρ为流体密度；t为时间；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；α_k、α_ε为湍流普朗特数的倒数；μ_eff和R为修正参数；G_k和G_b分别为层流速度梯度和浮力引起的湍流动能；Y_M为可压缩流体湍流扩张贡献量；C_1ε、C_2ε、C_3ε为经验常数。

5.根据权利要求1所述的喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S6中，导出步骤S5中Flow-3D计算结果中的地形表面文件，利用Matlab处理地形表面文件，得到射流冲刷沟剖面的几何参数并绘制出射流冲刷沟剖面；

通过分析最大沟深参数，以验证倾斜喷嘴和垂向喷嘴作用到同一垂向距离的泥沙表面有效压强相等；

通过分析射流冲刷沟剖面的几何形状，总结出喷嘴倾角大小对沟剖面影响规律。

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