[发明专利]一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法

权利要求书

1.一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量：

S11、根据所铺设管道的尺寸确定喷冲沟型；

S12、根据设计速度确定喷冲臂的水流量；

S2、初步确定喷冲臂形状和布置方案：

S21、初步确定喷嘴的数量，位置和角度；

S22、初步确定每个喷嘴的半径；

S23、初步确定喷冲臂的倾斜角度；

S24、创建喷冲臂的几何模型；

S3、建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型：

S31、设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证；

S32、进行数值模拟，选取网格计算方案；

S33、设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证；

S34、进行数值模拟，选取时间步长计算方案；

S4、喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化：

S41、优化喷射臂中心管道的形状；

S42、优化喷嘴的布置和半径；

S43、优化喷射臂中心管道的上除尾喷嘴外的其他喷嘴之间的过渡形式；

S44、优化后的喷冲臂的几何模型通过步骤S3建立的喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型进行数值模拟，分析优化后的喷冲臂的几何模型数值模拟结果，并进行优化，重复步骤S41-S44，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。

2.根据权利要求1所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S11中，喷冲沟型的沟型截面为倒梯形。

3.根据权利要求2所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S12的具体步骤如下：

以设计速度V开挖喷冲沟型，对应的泥土方量为V_t，则

V_t＝V*(a+b)*2/2；

其中，a为倒梯形的上底，b为倒梯形的下底；

根据泥土方量V_t来确定水流量V_w，满足以下公式：

V_w＝V_t/λ；

其中，λ为泥流比。

4.根据权利要求3所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，喷嘴的数量为15个，其中，10个喷嘴为垂向喷嘴，均匀布置在喷冲臂上，向下喷冲；5个喷嘴为斜向喷嘴，在铅垂面向喷冲沟内侧45°斜向下喷冲，且两个垂向喷嘴和其相邻的两个垂向喷嘴之间设有一个斜向喷嘴；

距离喷嘴靶距X处的打击面上的有效打击压强的公式：

式中R为喷嘴半径，p为出口动压，即p＝0.5ρu²，u为喷嘴出口流速，ρ为水体密度；

为使斜向喷嘴与垂向喷嘴打击面位置处于同一垂向高度，可知斜向喷嘴打击距离X_斜为垂向打击距离X_垂的倍，即：

因此由上式可知，为使用同样的出口动压，并达到同样有效打击压强，斜向喷嘴半径R_斜和垂向喷嘴半径R_垂应满足：

喷嘴出口流速一致情况下，可得斜向喷嘴流量Q_斜和垂向喷嘴流量Q_垂之比应满足：

Q_斜＝2Q_垂；

由动压定义得：

结合喷嘴出口流速、斜向喷嘴流量和垂向喷嘴流量可得R_斜和R_垂，

除尾喷嘴外的其他喷嘴所在铅垂面与喷冲臂夹角Alpha度，喷冲臂与水平面夹角最大为Alpha度；

根据喷冲臂的上述几何参数创建喷冲臂的几何模型。

5.根据权利要求4所述的水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：

对喷冲臂管道内部流动进行CFD数值模拟，计算采用隐式非定常求解器，物理模型为可实现的k-ε湍流模型，考虑重力，设置壁面粗糙度，给定参考压力；

喷嘴处设置为压力出口，喷冲臂管道入口依据水泵扬程设置压力入口，取稳定段的结果进行分析；

设计三种不同的网格方案，进行网格无关性验证，研究喷冲臂在三种不同网格数量的CFD模型下的计算结果，比较三种网格模型在不同喷嘴出口处的平均速度；

设计三种不同的时间步长，进行时间步长无关性验证，通过时间步长无关性研究比较三种时间步下的数值计算结果，综合考虑计算精度和计算成本，选择最优的网格计算方案和时间步长计算方案。