王初龙，冯 峰，周涛涛，袁 威

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨150001;2.中国舰船研究设计中心，武汉430064)

吸盘式挖泥船的吸盘一般都带有由入流管道、水箱和喷嘴组成的高压冲水系统。在施工过程中利用该喷射系统的水流对待挖泥土进行冲刷和疏松，为接下来吸盘的挖掘进行预处理来提高施工效率。因此，高压冲水系统喷射出水流的流量、流速、能耗及射流的一致性是决定系统性能优劣的主要指标［1］。

吸盘头的喷嘴结构形式对喷嘴喷射功能有直接的关系，在冲水入口压力一定的情况下，喷嘴喷射出的动能越大，其喷射能力就越强。就是说，吸盘处喷嘴的分布和喷射能力将直接关系到该挖泥船的工作效率和施工能力。因此，对吸盘式挖泥船吸盘头喷嘴的喷射角度和喷嘴的结构型式以及喷嘴材料的研究具有较大的理论价值和实用价值，研究成果必将产生重大的社会经济效益。

本文研究吸盘水箱的入流形式、内部的流场和喷嘴的射流对高压冲水效率的影响。模拟中采用固定的流量和出口面积，通过调整水箱的入流形式和喷嘴的类型来观察压降和射流一致性的变化。从而优化吸盘的喷射功能。

1 模型建立与网格划分

根据某自航耙吸挖泥船艏部吸盘的原型尺寸按照1∶1的比例建立三维模型。吸盘上下两排喷嘴的水流有不同的来源，入流形式也不一样。上面一排是从中间入流(直入流)，吸口下面一排是从旁边入流(侧入流)。上下两排的喷嘴上下对应，并且都是11个。喷嘴出口直径均为20 mm。

先在Pro/E软件中建立吸盘的三维模型，然后将Pro/E模型导入GAMBIT并建立计算域。吸盘的三维模型见图1。

图1 吸盘三维模型

在GAMBIT中网格定义有三种，分别是结构网格、非结构网格和混合结构网格。非结构网格适合于复杂区域的网格划分，特别是对奇性点的处理比较简单，其随机的数据结构更易于作网格自适应，以便更好地捕获流场的各种物理特性，并且在其生成的过程中不需要求解任何方程［2］。本文采用非结构网格进行网格划分。

在GAMBIT中，先划分模型面网格，在面网格的基础上生成体网格。体网格分成吸盘区和外域两部分。

2 数值模拟

在实际物理模型实验中，可以通过测量水箱入口及出口的压差来计算该系统的能耗，也可以观察水流的喷射情况，但是了解不到水箱内部的流动状态，而且在优化设计方面也存在一定的盲目性。而计算流体动力学方法(CFD)基于对Navier-Stokes方程的离散化，可对内部流场进行数值模拟，获得流场内各点上的流速、压力等基本物理量的分布。通过CFD计算，可以方便快捷地研究复杂边界条件和几何形状的计算域，并给出详细和完整的资料，结合应用CAD，可以进行结构优化设计。因此，利用CFD作为工具对吸盘高压喷水系统进行研究是很合适的［3-4］。本文采用FLUENT软件进行流场数值模拟计算。

为了简化计算，不考虑管路损失，流量取本船高压水泵的额定流量700 m3/h，对应的上冲水系统入流断面平均流速2.43 m/s，下冲水系统入流断面平均流速为7.926 m/s。

根据模型大小，确定GAMBIT中网格尺寸在喷嘴及其附近为4 mm，其余位置为25 mm，此网格大小基本上可以保证计算中要求的精度。由于在水箱内部存在涡流，故采用湍流数学模型中常用的RNGκ-ε模型。该模型是应用重整化群理论，在标准κ-ε模型基础上的改进形式。其基本思想是把湍流看成受随机力驱动的输运方程，然后通过频谱分析去掉小尺度涡，并将其影响归并到涡粘性中，得到所需尺度上的输运方程。RNG κ-ε模型改进了紊流粘度的计算，考虑了涡流的影响，从而提高了模型对有漩涡流场计算的准确性。本模型中，采用速度入流边界(velocity inlet)和出流(outflow)边界条件，壁面则采用标准壁面函数处理。

3 水箱内部基本流场分析

选取直入流水箱和直管喷嘴进行流场分析。水箱内部流线见图2。

图2 直入流型水箱内部流线示意

从图2可见，由于水流进入水箱后过流断面突然扩大，同时受到惯性力的作用和水箱侧壁的限制，沿着水箱后面的边壁及底部朝各个静压较低的喷嘴入流形成扇形扩散。而在喷嘴附近，由于过流断面急剧缩小，动压突然增大，静压减小，水流从各个方向吸入相对负压的喷口，此时压能转化为动能;显然，只有一部分水流能顺利导入喷嘴，剩下的在水箱内形成回流和漩涡，分布在扇形区域外。可以看出，除扇形区域外，水箱内流场紊乱，损失较多的能量。

直入流型水箱内部流场的计算结果见图3。

图3 直入流型水箱内部流场示意

计算结果表明，在扇形分散区内流速较大，流场平稳有序，基本上可以保持入流管道中的流速，这说明过流断面突然扩大并没有对入流动量造成很大影响;扇形区外则基本上为回流，流速相对较小，方向杂乱，涡流较多。

在吸盘的高压冲水系统中，主要的能耗有管路的沿程损失、水流进入水箱时因过流断面突然扩大导致的局部水头损失、水箱内部的紊动造成的水头损失、喷嘴入流附近因过流断面突然缩小而导致的局部水头损失以及喷嘴内的沿程损失等。由于喷水系统的出流面积远小于进流面积，进口压力主要是静压(约占总压的99%)，而喷嘴出口处静压可认为相对大气压为零，可认为全部是动压。根据水动力学分析，该系统主要能耗是局部水头损失和水箱内部紊动造成的损失。

4 不同入流形式的比较分析

吸盘上下喷水系统采用不同的入流形式，两种入流形式的水箱采用直管喷嘴时的流场和喷嘴一致性计算结果见图2～5。

图4 侧入流型水箱内部流线示意

图5 侧入流型水箱内部流场示意

与侧入流的情况相比，直入流的流场紊动比较小。分析认为，其原因在于直入流形成扇形分流区，所以入流可以更加平均地分布在喷嘴前面，使水流可以更平顺地进入喷嘴。同时，由于水箱入流方向和喷嘴轴线不在一个平面内，必然也会造成能量损失和降低喷射一致性。通过减小两者的夹角，应该也可以提高冲水效率。

与直入流情况相比，侧入流水箱内部水流的转角比较小，射流的一致性较好，各喷嘴的速度都差不多。但水箱内的大部分流场紊乱，特别是在刚进入水箱的那部分特别紊乱，从而形成的涡流比较多，能耗高。且离入流最近的喷嘴受壁面和距离的影响，射流的主要来源是涡流，出口流速要小于其它几个喷嘴，在射流大小的一致性方面也较差。与直入流情况相比，由于水流撞向最里面的壁面后产生回流，在水箱中部形成涡流场，也会损失一些能量。相比而言，喷射一致性较差必然导致冲刷效率的降低和能耗的增大。

总体来说，侧入流的射流一致性较直入流来说要稍好一些，但在流场的稳定性方面要差很多，能耗比较大，直接影响到射流的平均速度。因此，在条件允许的情况下还是应该尽可能地使用直入流形式。

5 不同类型喷嘴的比较分析

5.1 喷嘴喷射能力分析

研究发现［5］，射流冲击力和射流动能对喷嘴喷射效率和能力起着关键作用。射流冲击力是单位时间内射流冲向冲刷面的流体动能，其射流动能为

式中:r、Q、v——泥浆的密度、流量和速度;

b——泥浆运动的动能修正系数。

可见，在射流泵流量不变的情况下，射流冲击力和射流动能主要取决于射流速度v。因此，提高射流速度v是提高喷嘴喷射效率和能力的主要途径之一。其次，另一个衡量喷嘴冲击力的重要参数是喷嘴的喷距，喷距越大，则冲击力越强。液流从喷嘴喷出时形成近似刚体的液柱，高速前行。在液柱自身粘性力和表面张力等内力和环境水压力作用下，保持一定距离的柱状不破裂。前行中，在强烈的扰动下产生不稳定运动的惯性力以及周围环境水的作用，加之由于不断卷吸周围的环境水而不断向横向扩散，平均流速将逐渐降低。根据伯努利方程，流速减小，压强就会不断增大，当液柱压力大于或等于周围环境水压力时，液柱最终会破裂。因此，喷距与其射流速度有直接的关系。射流速度大，则喷距相应就大。另外，由流体力学的紊流能量和紊流动能方程可知，喷嘴射流的压力梯度和速度梯度大，则射流的紊流能量和紊流动量就高，其值与喷嘴的结构有关。等直径圆喷嘴具有较小的压力梯度和速度梯度，而锥形结构喷嘴，这个值却很大，可使喷嘴的射流水功率更大，效率更高。

5.2 三种类型喷嘴的比较

从已有的研究成果来看，喷嘴射流的一致性对泥沙的冲刷效果影响比较大。其一致性又主要可以分为两个方面，一方面是流速的方向一致性，即射流的发散程度;另一方面是流速的大小一致性，即在出口断面各点流速大小的均匀程度。通常认为，大小和方向一致性都比较好的射流，在同等条件下对泥沙的冲刷效果要好。本文采用三种不同类型的喷嘴分别进行速度大小和方向一致性的研究。三种喷嘴尺寸见图6。

图6 不同类型喷嘴尺寸

以直入流形式为例分别采用三种不同类型喷嘴进行流场计算来分析射流的稳定性。图7表示的是出口断面各点射流方向。而图8显示的是出口断面个点的速度分布图。从两图中可以看出，直管喷嘴尽管射流的方向一致性比较好，但是出口流速在断面上分布非常不均，参差不齐，中心流速明显高于平均速度很多，并且靠近两侧的喷嘴射流流速要小于中间喷嘴的射流流速;恰恰相反，锥形喷嘴的出口流速在断面上分布比较均匀，但是方向非常散乱，出口各点流速方向相互交叉;而锥直喷嘴的出口射流流速无论在大小上还是在方向上，都分布极为均匀集中。通过流速方向和大小一致性的比较，所以认为，锥直形喷嘴在三种喷嘴类型中喷射效率最高。

图7 直入流型水箱出口断面流速

图8 直入流型水箱喷嘴出口速度分布

不同类型喷嘴的速度见表1。

计算结果表明，水箱入流条件相同时，采用锥直管喷嘴的平均速度最大，其次为锥形管，所以认为在水箱中锥直管喷嘴的能耗是最低的。并且考虑到出口射流的一致性，综合评价认为，锥直喷嘴应为最佳。

表1 喷嘴出口流速表 m/s

经过分析认为，在水由水箱进入喷嘴时，过流断面突然缩小，在这种情况下由于压力梯度大，流场不稳定，在采用锥直管喷嘴时，其锥形部分可以对来流起到过渡作用，使水流较平顺地进入喷嘴，可大量减少回流和能量损耗。另一方面，进入喷嘴的水流大部分来自扇形分散流，其它来自周边回流，喷嘴进流条件较复杂。入流方向散乱，且流速大小不一，所以又需要借助直管段的导向作用来约束水流的流动方向，使喷嘴内水流的流动逐渐趋向均匀一致。

6 结论

直入流形式较侧入流形式更有利于射流的喷射效果，如果条件允许的话使用双直入流效果会更好，而锥直形喷嘴则是三种喷嘴中最有效的喷嘴。同时，针对水箱内部流场的特征，分析认为以后设计中应优化水箱形状，使吸盘高压冲水系统的能耗进一步降低，射流的一致性也得到优化。本文的成果全部是利用CFD得出的数值模拟计算结果，与文献等资料的结果比较吻合，希望将来能够得到物理模型试验结果或吸盘原型测试结果的验证。

［1］谭宗柒，崔家仲.吸盘式挖泥船喷嘴喷射功能改进研究［J］.三峡大学学报，2003(4):149-152.

［2］王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［3］洪国军，王 健，林 风.自航耙吸挖泥船耙头模型试验研究［J］.中国港湾建设，2008(4):19-22.

［4］王瑞金，张 凯，王 刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［5］易 灿，李根生，胡永堂.淹没条件下锥形喷嘴射流破岩效率实验研究［J］.石油钻探技术.2001，29(1):10-12.