挖沟机喷嘴射流流场的数值模拟

奉 虎， 王艳涛， 杜喜军， 王 亮， 尚智敏， 曹 宇， 白 勇

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451， 2.浙江大学， 杭州 310058)



挖沟机喷嘴射流流场的数值模拟

奉 虎1， 王艳涛1， 杜喜军1， 王 亮1， 尚智敏1， 曹 宇2， 白 勇2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451， 2.浙江大学， 杭州 310058)

喷嘴是海底挖沟机中的重要元件，该文采用FLUENT软件对其进行数值模拟，对喷嘴的射流特点进行研究，分析了喷嘴进口压力、流量对射流冲击力衰减变化的影响。结果表明，射流在淹没情况下，对进口压力进行有效控制，可以形成理想的冲刷域，并产生良好的冲刷效果，能够达到工程应用的需要，可以有效提高挖沟机的工作效率。

喷嘴；数值模拟；冲击力；冲刷域

0 引言

在海洋油气工业中，一般通过海底敷设管道向陆地或储油系统输送油气。如果管道埋深不够或者仅仅采用平铺方式，在使用过程中便会出现变形、断裂或泄露等现象。因此，合理高效的挖沟是有效敷设和保护管道的前提，是海洋油气工程的重要配套环节[1]。

水力喷射是一种新型高效能的破岩技术，与传统的爆破、机械破岩手段相比有许多优点[2]。水力喷射机构简单、安全性高，碎石对设备影响小，部件无需进入泥土层，埋深较大，挖沟效率高。

自20世纪70年代初以来，国内外对喷嘴技术展开了相应研究。Maurer等[3]进行了超高压射流钻井室内试验，结果表明，机械钻速可以提高2～3倍，证明了超高压射流钻井技术能有效提高机械钻速。美国埃克森(Exxon)开发的特殊高压钻头试验设备，使钻速增加了很多，结果表明，高压冲击钻头比普通钻头快2～3倍。沈忠厚等[4]对高压水射流理论和应用技术进行了系统的研究，其研制的加长喷嘴钻头、超高压射流钻头等取得了良好的应用效果。陈玉凡等[5]对高压水射流主参数(压力和流量)对清洗效率的影响进行了理论分析。倪红坚等[6]采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流射孔过程及机理进行了模拟研究。连琏等[7]设计的喷冲式埋缆系统具结构简单、挖沟速度快、埋设深度大等优点，便于在深水地区和埋深要求较高的地区使用。

目前，在浅海挖沟领域，国外的技术已经较为成熟，并且在挖沟工具和附属设备方面也很完善。我国开展海底挖沟研究的时间较晚，与国外先进技术有很大差距，因此，有必要开展相关领域的研究，并投入到工程运用当中，为我国的海洋石油开采的发展提供技术支撑。

1 理论模型分析

1.1 基本方程

(1) 伯努利方程

(1)

式中：P为压力，MPa；V为速度，m/s。

(2) 连续方程

(2)

(3) 控制方程

选用连续性方程和N-S方程作为控制方程，并采用标准k-ε双方程湍流模型建立封闭控制方程组。

不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为：

(3)

不可压缩流体的N-S方程在空间直角坐标系中的表达式为：

(4)

(5)

(6)

(4) 标准k-ε方程模型的湍动能k和耗散率ε方程为：

(7)

(8)

式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍流动能；Gb为由于浮力引起的湍流动能；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。

湍流粘性系数：

(9)

在FLUENT中，作为默认值常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍流能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σz=1.3。

1.2 几何模型

利用UG软件来建立喷嘴几何模型，之后将模型导入Gambit中，同时对几何模型进行修正，最后划分网格、设定边界条件，喷嘴几何模型如图1所示。

1.3 边界条件设置

计算域边界设置如图1所示，EL为高压水压力入口，其工作压力为10 MPa～100 MPa，LA、AB、CD、DE为水射流压力出口， EF、FG、GH为空气压力出口，设为10 m水深的压力为0.1 MPa。

由于喷嘴工作环境在水中，射流始终处于淹没状态，为了消除结构网格中节点的结构性限制，便于节点和单元分布的可控性，能较好地处理边界，该文采用非结构网格来划分网格，网格划分如图2所示。

图1 几何模型及边界设置 图2 网格划分图

2 喷嘴的数值模拟结果与分析

该文将喷嘴作为淹没射流进行模拟，对淹没射流流场进行分析，使数值模拟与实际情况一致。喷嘴的进口压力为10 MPa～100 MPa，每10 MPa为一间隔，共分为10组进行模拟，将其结果进行分析对比。

(1) 射流角对冲击域的影响分析

将模拟结果中获得的射流速度云图导入相关软件中，经过尺寸测量并计算获得射流扩散角，扩散角的大小意味着冲击域的大小，锥形单喷嘴射流角如图3所示。

图3 锥形单喷嘴射流角

从图3中可以看出：在进口压力为30 MPa的情况下，射流流速较低，随着进口压力的增加(由50 MPa～100 MPa)，流速逐渐增加，同时射流的流域也不断扩展，喷嘴下游受到冲击距离变长；扩散角范围保持在13°～17°之间，射流冲击域的变化范围较窄，即冲击域相对固定，但整体上射流呈现出随着进口压力的增加，射流角逐渐变大，冲击域也随之增加的趋势。

(2) 射流对冲击域内压力分布的影响分析

锥形单喷嘴射流压力云图如图4所示，从图4中可以看出：在喷嘴进口压力较小的情况下，低压区主要分布在喷嘴出口位置，并形成了两个低压区；随着进口压力的增大，喷嘴出口处至喷嘴下游区域内，仅在射流区域周边形成低压区，随着压力的增加，压力逐渐趋于均匀分布，表明射流的喷射状态也趋于稳定。因此，在实际工程应用当中，进口压力较小的情况对喷嘴工作的稳定性不利，可能会造成振动，而在适当的中高压情况下，会达到相对稳定的工作环境，并能有效的提高工作效率。

图4 锥形单喷嘴射流压力云图

(3) 数值模拟结果的数据分析

为了更好的对锥形双喷嘴进行研究，如图5～图7所示，从速度变化曲线、静压力变化曲线和径向流量变化曲线等方面进行分析。另外，针对喷嘴射流的冲击力，给出了以下公式：

(10)

图5 单喷嘴径向速度变化曲线 图6 单喷嘴射流径向冲击力曲线

图7 单喷嘴径向压力变化曲线

如图6所示，单喷嘴径向速度变化在位于长度L=40 mm的喷嘴出口位置时，流速最大，并且随着进口压力的增加，速度逐渐增加，最大值为375 m/s，并且在喷嘴出口处，流体的径向速度最大，随着径向距离的变化，流速降低；在较小的进口压力下，L=60 mm～70 mm之间出现了流速下降的现象，由于出现了涡流，导致速度出现能量抵消，减小了流动的速度；在L=80 mm～120 mm之间出现了流速增加的现象，由于进口压力较小(10 MPa～40 MPa)，在喷嘴出口处和远离出口位置之间出现了低压区，导致回流的产生，使局部流速增加。

单喷嘴径向压力变化曲线如图7所示，在喷嘴内部，射流的压力较大，随着射流的流出，在喷嘴部位的压力骤然下降，在射流流出的径向内，压力基本无变化。位于喷嘴内部20 mm～30 mm的压力比较平稳，没有较大变化，而且压力最大；当流体喷出的瞬间(L=35 mm)，压力骤减，而且在进口压力较大的情况下，骤减的压差也就越大；当液体流出后在L=45 mm～50 mm之间时，出现了低压区，压力出现了负压，在压力云图上也有比较明显的显现，说明在液体流出的瞬间出现了涡流现象；当液体流出喷嘴后，压力基本上处于平稳状态，受进口压力的影响较小。

3 结论

通过分析具体的应用条件和喷嘴特性，在淹没条件下，对锥形喷嘴的射流进行数值模拟，得出了如下结论：(1)在进口压力变化范围内，扩散角变化较小，随着进口压力的增加，冲击域有增加的趋势；(2)改变喷嘴进口压力会影响射流流场，随着进口压力的增加，流场中速度衰减会较小，冲击域增大。在进口压力为10 MPa～100 MPa的范围内，压力在50 MPa～70 MPa之间，压力分布均匀，流量稳定，冲击区域比较好，在实际工程应用中能取得比较理想的使用效果。

[1] 张宏,李志刚,赵宏林等.深水海底管道铺管设备技术现状与国产化设想[J].石油机械,2008,36(9)：201-204.

[2] YANG Yong-yin， LI Gen-sheng. Experiment on cutting of super-high pressure wateer jet[J]. Journal of the University of Petroleum, 2003,27(1):36-37.

[3] Maurer W C. Advanced drilling techniques [M]. Tulsa: The Petroleum Publishing Company, 1980.

[4] 沈忠厚.水射流理论与技术[D]. 北京：石油大学出版社, 1998.

[5] 陈玉凡.高压水射流打击效率理论分析[J].清洗世界,2006,22(10):32-35.

[6] 倪红坚,王瑞和. 高压水射流射孔过程及机理研究[J].岩土力学，2004，26(z1)：29-32.

[7] 连琏,王道炎.喷嘴式滩海埋缆系统的设计[J].上海交通大学学报，2001，35(4):537-540.

Trenchers of Nozzle Jet Flow Field Numerical Simulation

FENG Hu1, WANG Yan-tao1, DU Xi-jun1, WANG Liang1,SHANG Zhi-min1, CAO Yu2, BAI Yong2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China;2. Zhejiang University，Hangzhou 310058, China)

Subsea trenching machine nozzle important components in this article studies based on FLUENT numerical simulating reveals the characteristics of Jet.Nozzle inlet pressure and flow are analyzed on the Jet impact force attenuation effects.Analysis of numerical simulation results showed that submerged Jet case, nozzle inlet pressure control in the right range, scour Jet can form a larger field, flushing effect is ideal, can meet the requirements.

jet trenching； numerical simulation； impact force； scour region

2015-11-22

奉 虎(1980-)，男，工程师。

1001-4500(2016)01-0050-05

O35

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