淹没水深对射流冲刷泥砂影响的数值模拟

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3Pun.2020
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D"E!10.3969/+.issn.2095-5092.2020.06.015
淹没水深对射流冲刷泥砂影响的数值模拟
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"9&'()7h'*#+,o3213022$
34!s?@1.M mm=ABBC,!Z DB4hfh(W EFG 刷砂床，分析了淹没水深对射流冲刷深度和宽度的影响"结果表明：水深变化对冲刷效果基本无明显影响，但水深过小会降低冲刷过程中坑深的发展速率"研究结果可以为不同水深条件下的疏浚工艺设计提供参考"
567!EFI#G#4#4#h(
89:;<!]442.32$"35M33=>?@A!A33=BC<!2095-5092"2020#06-0072-04
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挖泥船耙头的切削力、减少耙头堵塞，还可以用于‘Q%S‘Q%F&1'(w e?#Y o{R，& '力于的
的22k X x(
关于射流局部冲刷的特性研究,前人做了大量的模拟和实验，并取得了一定的成果。

倪福生团队&2-4]根据水射流冲刷的模拟及实验结果,得到了射流速度、冲刷时间以及靶距对射流冲刷效果的影，”!s x
2刷果™的(关于水2,王宗龙等&5〕模拟水下环境，做了水深为5~30m的多组实验，发现对于同一喷嘴，在不同射流压力下,会出现淹没磨料射流的最佳水深区($G B~3%&U'"n速P z{K t,•8%&K z{'(
深<P%&的影,Z 深对纯水射流冲刷泥砂的影响规律。

水深变化直接引起淹没环境的静水压力变化,探索水深实际上B压力刷果的影(刷关于压的,在7h,J P 对岩石施加的压力叫做围压，有学者对此做了大量相关研究。

李敬彬等&6'通过围压射流冲击压力测0g,+压3$下,力压
击压力随围压的变化规律(廖华林等&7-8'分别做了纯水破岩和磨料破岩的实验，得知围压对连续射流和空化射流破岩效果影响明显，对最优喷距的影响小(高晓东&9'通过实验测量发现，轴向冲击压力随围压的增大,先减小得很快，到达一定范围后减小的速度变慢，直至最后轴向冲击压力趋于稳定(•等&10'通过现在围压下,
喷嘴比普通锥形喷嘴有更强的空化能力。

但石油工程中的水射流研究的重点是其破岩特性，且围压较大,与冲刷砂床的工况有所不同(
本文采用数值模拟方法研究二维垂向淹没射深0h20m时,深变化刷果的影响(研究成果对水射流在工程实际中的应用有定的用,并
(
1U R V
数值模拟除运用连续性方程和动量方程外,主
用砂刷拟h o5、砂/、
悬移质运动以及泥砂沉降,从而模拟泥砂的运动(粗砂一■般选用Meyat-Petat和Mullat模型&11' )质7砂!
/#=(MPM」('#$'t, J8,#"1$ 3中!/#i#砂的1的质7砂) (mpm#为第i种砂的推移质系数，通常等于&0；'#为第i种砂的床面希尔兹数;'%,#为第i种砂的临界希尔兹数；8,#为第i种砂占泥砂的体积分数。

单宽体积推移质输砂率\#计算公式如下：
\#-/&(F("£l$X$N3'+"2$
!e
NOPQ!2019-11-26
基金项目：国家重点研发计划项目(2%1MYFC%4%74%4)；国家自然科学基金资助项目(517%9%94)
作者简介!夏保琴(1996*),女，硕士研究生，主要研究方向为疏浚设备与技术****************. +72+
2020ei6k夏保2!淹没水深对射流冲刷泥砂影响的数值模拟
式中：F为重力加速度;。

为第d种砂的密度;！为第d种砂的流体密度;N#为第d种砂的粒径(为了计算每个网格内泥砂的运动，将转化成推移质输砂速度+'eWeoaW，d!
+■-)',#'"3$式中！)为第，种砂的推移质厚度忆为泥砂的临界
体数(
砂沉降是指泥砂颗粒由于自身的重力从悬浮物中沉降到砂床上或在推移质运动中下来的过h(|p[Soues'_&13'的沉速度h!
+se i eong，d-学[(10.362&1e049N)$05—10e36'
N d
(4$
式中!+se i eong，d第d砂的沉速度;"体的运动‘度;N)砂1粒(
颗粒的沉挟带是相反的两个过程#常常同
时发生(泥砂挟升速度+l lft,#的计算公式如下&14'!E%E
+loi，d-#d7s N)E3('d—'%o e，d$1E59
/(F(N(!-！$(5$槡!
式中：#挟带系数，推荐值为0e018&14'；7s为砂床表面的法向向向砂床线方向。

#h•D
砂刷T B8个数，砂
数=、泥砂颗粒中值粒径N50%砂颗粒密度！%临
界希尔兹数'%挟带系数#、推移质系数0、水下休
.&体数]Q(‘Y C q•，本 置的泥砂参数见表1(
r13PQ6Oh a”
数=
N50/m !s/(I g+m-3$'oe
#(./(°)]Q
取值10.001826500.050.413450.5
建立如图1IJ的几何模型，模型对平面喷嘴进行了简化处理,喷嘴宽0.025m,0.15m, 6m拟R(7!
中喷的'平,平!度向上(,本拟中(向$几1',每个于!度向的平(,"D平$l.
I 拟(
33在中[加,深I , 2.4mg0.025mg2.9m,2.4mg 0.025mg4.7m 2.4mg0.025mg22.7m(
同工况下的喷嘴宽度，喷嘴附近的设置，大小相等。

由王建军、李雯等&3-4以
于y的y,n&=
0-025m时，模拟结果与实验结果基本接近。

本型的喷嘴宽度及泥砂属&3'%&4'，因此网格大小也采用0.025m。

为更好地识别几何的各个，添加线在处。

本文8用>AE"B,等值值(#S"sueXaoevalue8用9值0.5001，:保每个Kh。

添加初始，设定，水深I设
0.2m%2m20m。

置，本是二维数值模拟，所以丫方向两个置称，以保证丫方向上的每个"D面的
|。

"向上的个置6。

深大，喷嘴管长增加，程力有所增加，水下深度所引起的压力衰减也会加剧，如果采用压力入，保证喷嘴速度，置速度2
时，程，在变的下，出口速度2，实'采用速度的。

D向小置，大
置速度，在D向置-5m/s的速度，形成稳定速度的。

选择输力学数据和泥砂浓度，每隔0.1s输出一次结果，时间步长设置1g10-6。

$L):[
本深I0.2m%2m20m3工下的二维向淹没刷进行数值拟，拟时4变深，@C数变。

图2图3深I0.2m%2m%20m
+73
+
2020ei49j(g)}57h
U刷时"T"3s$的坑深度及坑宽度(图2n892m及20m7下坑深
日7
悭
徑
團
龙
33由图2图3，C7下的刷深度及宽度时的变化#|，坑速$深
宽，深度及宽度方向，趋于稳定。

即存在3个阶段!快速增长段％长稳定(等&2'的试验现象基本(
快速长及稳定，37的坑深度及宽度基本(s n，+"的速
度,m!
，m="#J+0.417)1J，+"6$式中！#1为平面喷嘴的系数,#1=0.10〜0E1)0 )201J2'"宽),+速度(
数38中4变深，%喷嘴宽
速度变(由式"6)，3深下，+床的速度相等，即动能相等，坑深度基本一
(取3深下的(图4)，
+床的速度基本(
从图2还可以发现，0.1s前冲坑深度为零。

，以喷嘴中9K—+9的点点，选择I-0.2m7况，提取该点的速度过程，如图5所J。

00.1s时，观测点的速度为0,该点处速度从0逐加速到约4.7m/s后再逐渐减速。

在0.1st速度还未增长到冲刷临界，故此时坑深(
+74+
0.00 1.28 2.55 3.83 5.10
(a)H=0.2m
(b)//=2m
(c)H=20m
图4不同淹没水深下的流场
观察图2及图3发现，冲刷1s后，冲坑深度及宽度进入长阶段(I=2m和I=20m下的坑深变化，而I=0.2m下的坑深增长较其x7(图 5现，U长阶
,点的速度迅速下降(析其原因，提取了该时段的布，如图6所J(
图6水深0.2m时冲刷对水面的影响
由图6可以看到，由于I-0.2m7
况下淹没
2020ei6k夏保2：淹没水深对射流冲刷泥砂影响的数值模拟
2=#F mY=F U4>
E#1的&55#%8$h =Fj2#$&K的L#iBw7
下冲坑深度增加缓慢的原因(
%L
|[砂刷拟.I d淹没
流冲刷砂床,模拟结果表明，当水深为0~20m时,有如下结论：
1$U0{!,深刷果#|影(Uo7hn,当5刷时,U
点的冲刷时间较短,此时无需考虑淹没水深的影,当!刷时,有刷果(
2$UFG,深坑深度|7影
响(故在定点或喷嘴缓慢移动的射流疏浚工程中，深R p[的77,”U
该时间段内降低移动速度收效较小(
3$在!,深3=时Z加&L,刷时!,刷Z低(故当环境水深过小时，如想加大冲刷深度，应采用快速移5%反复冲刷的施工方式，而不应采用缓慢动%!刷时的工(
ab=>!
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