[發明專利]噴射式挖溝機噴嘴的一種參數設計及其數值模擬方法

有效

• 申請號: 201910110150.0
• 申請日: 2019-02-11
• 公開（公告）號: CN109902363B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 鄒麗;徐偉桐;孫哲;金國慶;裴玉國;王振;孫鐵志
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 唐楠;李洪福

本發明公開了一種噴射式挖溝機噴嘴的一種參數設計及其數值模擬方法，其特征在于具有如下步驟：S1、噴嘴參數的設計；S2、噴嘴參數的選取；S3、幾何模型的建立；S4、邊界條件設定和網格劃分；S5、利用Flow?3D進行數值模擬；S6、結果處理及分析。本發明可以模擬噴嘴沖刷破土的整個過程并測取沖刷溝剖面的尺寸，對得到的結果進行分析可驗證噴嘴半徑參數設計的合理性以及為傾斜角度參數的設計提供了一定參考。

技術領域

本發明涉及一種根據射流壓強公式進行噴射式挖溝機噴嘴參數設計及數值模擬的方法，屬于機械工程領域。

背景技術

隨著人類對海洋資源的不斷勘測與開發，海底管道將成為海底資源運輸的重要途徑。為了保護海底管道不受人為和自然的破壞，就需要將管道進行挖溝掩埋。目前應用最廣泛的挖溝掩埋方法就是后挖溝法，該方法是當海底管道沉放在海床上之后將挖溝機騎在海底管道上進行挖溝，并隨著挖溝機的前進，管道自動沉入溝底，同時溝兩側沙土以及懸浮的泥沙在水流和波浪作用下自然回積到溝內。噴射式挖溝機就是后挖溝法中應用最多的挖溝機，其工作原理是利用從噴嘴噴出的高壓水射流沖刷海管兩側下部海床，破除海床土層或將土體液化，在海管下方形成溝槽。噴射式挖溝機設計有兩根對稱的噴射臂，分別騎在管道的兩側。噴射臂上安裝了一系列噴嘴，噴嘴的參數設計是挖溝機設計中的關鍵技術之一，并且對沖刷溝形起到決定性影響。國內外研究者對于噴嘴的參數設計與優化做了大量研究。

對于噴射式挖溝機噴嘴的設計及優化的研究有實驗模擬方法和數值模擬方法。實驗模擬方法符合實際的物理條件，并可對射流參數及射流沖刷過程進行真實監測，如YangGeunyoung運用實驗方法得到了射流在軸心方向上的速度衰減與噴嘴內部流道型線相關。目前數值模擬方法即計算流體力學方法(CFD)在噴嘴參數設計及射流與土體相互作用方面應用非常普遍，取得了很大的成功，且計算效率高，計算速度快，結果預測準確。如高溦通過數值模擬對噴嘴不同的收縮段長度、圓柱段長度、擴散段長度以及收縮角度進行了研究；吳強從數值兩方面對噴嘴的形式及組合方式進行分析。

過去的研究主要集中于噴嘴的形式、各段長度、收縮角度等參數，針對噴嘴直徑大小的設計卻沒有提出合理且普適的方法。隨著實際海底挖溝作業對溝形的要求越來越為嚴格，這就需要對射流沖刷出符合實際需求的坑形進行精準的計算模擬，而傾斜噴嘴的傾斜角度參數對實際坑形有著非常重要的影響。因此結合噴嘴的直徑和傾斜角度提出一種新的設計方法將會使噴嘴參數設計及優化更加合理，適用性更強，應用較為廣泛。利用數值模擬對傾斜角度對沖刷坑形的影響規律進行研究則會為不同溝形需求的噴嘴傾斜角度設計提供一定的參考價值。

發明內容

根據上述提出的技術問題，而提供一種噴射式挖溝機噴嘴的一種參數設計及其數值模擬方法。本發明采用的技術手段如下：

一種噴射式挖溝機噴嘴的一種參數設計及其數值模擬方法，具有如下步驟：

S1、噴嘴參數的設計

根據距離噴嘴x處的射流有效壓強計算公式：推導出滿足傾斜β度噴嘴和垂向噴嘴在相同垂向距離處射流有效壓強相等時的噴嘴半徑和傾斜角度之間的關系式：其中，R為噴嘴半徑，p為噴嘴出口動壓，R_垂為垂向噴嘴半徑，R_斜為傾斜噴嘴半徑；

S2、噴嘴參數的選取

根據步驟S1推導出的公式先確定垂向噴嘴半徑R_垂為固定值，再選取不同的傾斜角度β，得到不同的傾斜噴嘴半徑R_斜；

S3、幾何模型的建立

根據步驟S2選取的噴嘴參數，利用Solidworks建立垂向噴嘴和傾斜噴嘴組合幾何模型；

S4、邊界條件設定和網格劃分