射流冲土过程常用数值计算软件的对比

冲刷砂土研究 ， 从数值计算的结果以及冲刷过程两 个方 面 与实验 进 行 对 比。模 拟 冲 刷 坑 是 对称 发 展
的， 砂床 粒子 并未 形 成 堆 积 ； 实 验 冲 刷 坑 是 随机 发
展的 ， 且 有砂 土堆 积 。 张浩 利 用 Ａ Ｌ Ｅ模 拟 黏 土 的 冲刷 效 果 ， 并 与
中 图分 类 号 ： ， Ｉ ｖｌ ３ ４ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ２ ０ ９ ５— ５ ０ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ７ ） ０ ７— ０ ０ ５ ０—０ ４ Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ、 Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ一 ３ Ｄ、 Ｓ Ｐ Ｈ（ ｓ ｍ ｏ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ — ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ ） 和Ａ Ｅ（ Ｌ ａ ｒ ｂ ｉ ｔ ｒ ａ ｒ ｙ ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ—ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ） 。
钱忠 东 等 利用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软 件 对二 维 淹 没 射
流作用下的无黏性沙床的冲刷进行数值计算 ， 动态 平 衡 状态下 冲坑剖 面 的 形 态计 算 结 果 与实 验 结 果 较 吻合 ， 但 坑 口两侧 的沙 子未 能堆 积 。
刘成林 等 采用 Ｆ Ｌ ｏ Ｗ 一３ Ｄ中 的泥 沙 冲刷 模 型结合 Ｒ Ｎ Ｇ模型和 Ｆ Ａ Ｖ Ｏ Ｒ方 法 ， 进 行 了射 流 冲 刷 固定 底板 下 游泥 沙 的模 拟 实验 。结果 显示 ， 模 拟 冲刷 过程 中 的水 面线 和 速 度 分 布 与 实验 结 果 吻 合 度很 高 ， 冲刷 过程 中 的冲坑深 度 和堆丘 高度 吻合 度 不高 。 张德 义 采用 Ｓ Ｐ Ｈ进 行 了二 维垂 向淹没 射 流
以辅助 耙 头挖 泥 ， 增 加 了水 流局 部 紊 动 能 ， 提 高 挟 沙 能力 ， 大 大提 高 了挖 掘 效率 【 ３ Ｊ 。 因而 ， 研 究 射 流 冲土 过程 有着 重要 的科 学价 值和 实 际意义 。 射流 冲土 的主 要研 究手 段有 实验 和数 值模 拟 。 实验 观测 得到第 一 手数 据 ， 结 果 可靠 。但 实验 土体 制备 繁琐 、 破 土 环境 浑 浊且 坑 形 不 宜 观 测 。此 外 ， 大量 重 复 实 验耗 费 人 力 、 物力 ， 增 加研 究 成 本 。数
摘要 ： 射流冲土技 术在疏浚工程 中有着广泛应用， 耙吸式挖泥船利用射 流辅助切 削可显著提 高施
工效 率 。 目前 用 于射 流 冲土过 程数 值 计 算软件 主要 有 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ 、 Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ一 ３ Ｄ、 Ｓ Ｐ Ｈ、 Ａ Ｌ Ｅ， 针 对 其 不 同的适 用性 ， 在 构 建几何 模 型 、 描 述 土壤 物理性 质 以及 体现 射 流 和土壤 的相 互作 用方 式等 方 面进
射 流 冲土技 术 被 广 泛 应 用 于 工 程 实 际 中 。例 如， 在 隧道 支撑 加 固 工程 中 ， 水 射 流破 土 扩 孔 兼 有
柔性切割 、 柔性破碎以及 清洗功能 ， 大大提高了扩 孔效率… 。在海底开 沟铺 设管道 工作 中， 利 用水 射 流开 沟机 对海 底 进行 喷冲 ， 以实 现基 础开 挖 和埋 管Ｌ ２ Ｊ 。在疏浚行业 中， 射流 冲土降低耙头９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５— ５ ０ ９ Ｘ． ２ ０ １ ７ ． ０ ７ ． ０ １ １
射 流 冲 土 过 程 常 用 数值 计 算 软件 的对 比
周 凡 ， 一 ， 倪 福 生 ｒ， 顾 磊 ’
２ １ ３ ０ ２ ２ ） ２ １ ３ ０ ２ ２ ） （ １ ． 河海 大学 机 电工程 学 院 ， 江 苏 常州 （ ２ ． 疏浚 教育 部工 程研 究 中心 ， 江苏 常 州
２ ０ １ ７年 ７月
机械设计与制造工程
Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｄ ｅ ｓ ｉ ￣ａ ｎ ｄ Ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｅ Ｉ ｌ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｆ ｎ ｇ
Ｊ ｕ １ ． ２ ０１ ７
Ｖｏ １ ． ４ ６ Ｎ ｏ ． ７
第４ ６卷 第 ７期
值计算可直观显示 冲土过程 中流场和土体 内部信 息， 易得 到射 流坑形 数 据 。最 主要 的是 可 以改 变射 流参 数 ， 便 于研究 其对 冲刷 过程 和 冲坑 的影 响 。因 此， 数值计算可以有效地研究射流破土机理以及冲 坑形 态 变化 。 目前 ， 利用数 值计 算进 行 射流破 土 的 研究 较少 ， 相 关文献 不 多 。针对 不 同土壤 性质 利 用 哪种 软件 尚无 定论 ， 仍 需进 一 步探索 。本 文将 对 常 用数值计算软件进行概括和比较 ， 指 出各软件在模 拟 射流 冲刷 过程 中的特点 和适 用性 ， 为研 究人 员 提 供 参考 ， 从 而节 省研 究时 间和 精力 。
实验 结果 进行 对 比。模 拟 结 果 与 实 验 结果 在坑 形 上 存在差 异 ： 坑 深 大 于实 验 结 果 ， 坑 宽 小 于 实验 结
果。
１ 现 有软件
目前 ， 针 对 射 流 冲 土数 值 计 算 的 常 用 软 件 有
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６一ｌ ｌ— Ｏ １
行 了对 比。 结果显 示 ， Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ不适合 模拟 射 流 冲土过程 ； Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ 一３ Ｄ适合 模 拟 非黏 性 土 质 ； Ｓ Ｐ Ｈ
和 ＡＬ Ｅ适合模 拟黏 性 土质 。
关 键词 ： 射 流 冲土 ； 数 值 计算 ； Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ ； Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ一 ３ Ｄ； Ｓ Ｐ Ｈ； Ａ Ｌ Ｅ； 对 比
２ 软 件 特 点 及 适 用 性 ２ ． １ 土壤几何模型