水下夯锤绕流数值模拟及夯击效果分析

毕冬旭

(辽宁泽成水利工程检测服务有限公司，辽宁 新民 110300)

近年来，水下夯锤主要用于水下工工程抛石夯击施工中，这种方式速率较快，且对周围影响较小，在水下工程中应用较为广泛[1- 3]。为提高水下夯锤的利用效率及能量消耗速率，对不同夯锤类型下其绕流类型的变化规律研究十分重要[4]。当前，国内主要集中在夯锤对绕流类型影响要素的研究[5- 6]，对不同水下夯锤类型下绕流变化规律的研究还较少。从20世纪以来，LS-DYNA模型在水下绕流数值模拟中得到不同程度的应用[7- 10]，数值模拟效果较好。本文结合LS-DYNA模型，探讨不同水下夯锤类型下绕流变化规律，研究成果对水利工程施工具有重要意义。

1 研究方法

水下夯锤可表示为三个作用力下的非匀速运动，其运动方程可表示为：

mg-ρwgV-Fs=ma

(1)

(2)

式中，m—水下夯锤的质量，t；V—水下夯锤的体积，m3；Fs—水下夯锤在静止压力下的绕流阻力；Cf—绕流阻力系数；ν—相对速度，m3/s；w—水下夯锤的垂向投影面积，m2；ρw—水体密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。对其运动方程进行微积分计算，计算方程为：

(3)

式中，x—夯锤下落位移，m；V—下落速度，m/s；η—质量系数。其中其初始相对速度值的计算方程为：

(4)

式中，k—绕流阻力摩擦系数。对水下夯锤的能量利用效率进行计算，计算方程为：

(5)

式中，J′—夯击有效能量,J；J—不考虑地球引力和水体浮力作用下的最大动能，J。

2 研究结果

2.1 不同夯锤类型主要参数

结合6种常用的水锤类型进行分析，不同水下夯锤类型参数取值见表1。

结合6种水下夯锤类型主要参数，设定各水下夯锤下落的距离为6m，结合上述数值模拟的方式，对各水下夯锤的下落相对速度、夯击有效能量以及夯击能量效率进行数值模拟。为尽力减少数值模拟的网格划分时间，提高计算效率，设置无初始边界的条件。通过反复试算结果表明，当水域的宽度在6m时既可以满足模型的收敛精度要求。

2.2 不同夯锤类型绕流数值模拟分析

结合不同夯锤类型绕流数值模拟结果，分析各类型夯锤下落距离～速度、下落距离～夯击能的关

表1 不同水下夯锤类型参数取值

图1 各类型夯锤效能与下落距离的规律分析结果

系及下落距离～夯击能效率关系的变化规律，并对其绕流阻力系数与静水压强之间的关系进行分析，分析结果如图1所示。

从图1中可看出，随着下落距离的增加，在同一静水压强下，随着夯锤质量的增加，其相对越大，5#夯锤质量越高，其相对速度的变幅也最大，其最大相对速度达到3.5m/s，各夯锤类型相对速度随着距离的增加逐步加大，相对速度在2.5m/s～4m/s之间处于相对稳定阶段。从各夯锤类型下落距离～夯击能变化关系可看出，和相对速度变化较为类似，随着下落距离的增加，其夯击能也逐步增加，5#夯锤随着下落距离夯击能增幅最大，而质量最小的夯锤其夯击能变化最小，但各夯锤类型随着下落距离变化其夯击能总体变化较为类似。从各类型夯锤下落距离～夯击能利用率关系可看出，随着下落距离的增加，其夯击能利用率逐步减小，这主要是因为随着下落距离的增加，其夯击能转化率降低，使得其夯击能利用率减小，各各类型夯锤下落距离～夯击能利用率变化较为一致。各类型夯锤夯击能利用率最大值在出现在初始边界条件区域。从阻力系数与静水压强之间的关系可看成，阻力系数与静水压强总体呈现倒数关系，即随着下落距离的增加，静水压强越小，其阻力系数越大，反之，其阻力系数最小。

2.3 不同类型水下夯锤夯击效果分析

对两个典型下落距离的不同类型夯锤各夯击点位的夯击压力值进行数值分析，分析结果见表2—3。

表2 2.5m落距下不同类型夯锤各夯击点位的夯击压力值 单位：kPa

表3 5m落距下不同类型夯锤各夯击点位的夯击压力值 单位：kPa

从表2中可看出，圆柱型夯锤在四次夯下其压力最大值达到12.31kPa，而在六次夯时其压力最大值可达到12.31kPa，而在六次夯时圆柱型夯锤的压力最大值达到22.35kPa，可见在相同下落距离下，随着夯次的加大，同一夯锤类型下其压力最大值逐渐增加，而从圆台的夯次变化也总体呈现这一变化规律，从表3中可看出，各类型夯锤最大压力变化和2.5m下落距离的变化一致，随着下落距离的增加，各测点压力值均逐步加大，圆台类型夯锤各测点压力值变幅大于圆柱型夯锤。因此在工程实际应用时，圆台型夯锤压力效果好于圆柱型夯锤。

2.4 不同类型水下夯锤夯沉量分析

结合各监测点分析数据，对不同类型水下夯锤夯沉量进行分析，各下落距离的夯沉量分析结果见表4—5。

表4 2.5m落距下各类型夯锤夯击不同监测点的夯沉量分析

表5 5m落距下各类型夯锤夯击不同监测点的夯沉量分析

从表4中可看出，圆柱型夯锤下在四次夯其夯沉量平均值最大，夯沉率最大为11.7%，而随着夯次的增加，圆柱型夯锤的夯沉量均值逐步减小，夯沉率也逐步降低，这和实际情况较为相似，因此在实际工程施工中，对于圆柱型夯锤，应该尽量减少其夯次，提高夯沉量和夯沉率，从表中还可看出，圆台型夯锤各夯次的夯沉量和夯沉率都要大于圆柱型夯锤。从表5中可看出，随着下落距离的增加，同一类型夯锤在各夯次的夯沉量和夯沉率都逐步增加，但总体增加的幅度随着下落距离的增加有所减小。

2.5 不同夯锤缩比尺寸夯击效果对比

夯锤缩比尺寸对水下夯锤的夯击效果影响明显，为此本文还对不同缩比尺寸下的夯击效果进行对比分析，不同缩比尺寸下夯锤的参数取值见表6，不同缩比尺寸下夯锤的夯击效果与下落距离的变化规律分析结果如图2所示。

表6 不同缩比尺寸下夯锤的参数取值

图2 各缩比尺寸下夯锤效能与下落距离的规律分析结果

从图2中可看出，随着下落距离的增加，同一静水压强下，缩比尺寸越大，其下落相对速度越大，当达到3.5倍夯锤，其下落距离与相对速度变幅达到最大，当相对速度达到15m/s左右时，其下落距离与相对速度的变幅较为稳定。从各缩比尺寸下落距离～速度关系还可看出，各缩比尺寸下其相对速度的变化规律较为一致，标准夯锤变化较为平稳。从各缩比尺寸下落距离～夯击能关系可看出，各缩比尺寸和各质量夯锤下其下落距离与夯击能的变化关系较为类似，随着缩比尺寸的增加，其夯击能逐步降低，从其变化关系还可看出，缩比尺寸对其夯击能影响较为明显，当下落距离达到3m时，其夯击能下降较大，且逐步趋于稳定。

3 分析结论

(1)圆台型夯锤夯击效果总体好于圆柱型夯锤，在实际工程中应首选应用圆台型夯锤进行水下抛石的夯击，并在其底部设置泄流孔进行防护；

(2)随着缩比尺寸增加，其夯击能随着下落距离的增加逐步降低，夯击效果减小，在工程实际中应首选高倍缩比尺寸的夯锤，从而提高其夯击能利用率；

(3)本文未对各夯锤类型下夯击效率的极限值进行研究，在以后的研究中需对夯击效率的极限值进行研究，提高夯击效果。