[发明专利]喷射式挖沟机喷嘴的一种参数设计及其数值模拟方法

说明书

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。

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