[发明专利]一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，具有如下步骤：确定喷冲臂的喷冲沟型和水流量；初步确定喷冲臂形状和布置方案；建立喷冲臂管道内部流动问题的解决思路和数值模型；喷冲臂的几何模型通过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，直至得到最佳的喷冲臂设计方案。本发明提出的喷冲臂的设计及优化，设计精度高，科学性强，在初步设计的基础上，采用CFD技术对喷冲臂的管内流动进行数值模拟，根据模拟结果对喷冲臂的几何参数进行优化，获得最佳设计尺寸，使其喷冲效果达到最优。同时，本设计为射流挖沟机的设计制造提供了参考依据。

技术领域

本发明涉及一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，其中该设备的主要工作是海底管缆的挖沟埋设，属于海洋工程领域。

背景技术

为了防止海底管道、电缆等设备受到人为和自然环境损害，提高使用寿命，通常要对此类设备进行海底挖沟埋设。世界发达国家从上世纪初就开始在海底开沟装备领域进行研究，伴随深水油气田开发及材料、机电等技术发展，目前基本形成水力喷射式挖沟机、海底开沟犁、机械式海底开沟机三类挖沟设备。而国内自主研制的挖沟机仍以喷射式挖沟机为主，结构简单、效率低、故障率高、作业水深浅等。同时国内自主研发的挖沟机大部分不具备自行走功能，工作时需要母船拖拽。

挖沟作业效率与土壤条件、沟型和沟深、海底管道的尺寸、喷射臂的设计等有很大关系。在作业环境和铺设管道尺寸一定的条件下，挖沟机喷射臂的设计便显得尤为重要。本发明主要针对喷冲臂的形状进行初步的设计和优化，在相同水泵扬程条件下，考虑管道沿程损失，采用理论分析和数值模拟相结合的方法进行喷冲臂形状设计，为今后喷射式挖沟机喷冲臂的设计开发提供参考。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，以实现喷冲臂结构和管内流动的优化设计，从而对海底土体的破除和液化，实现该挖沟机对海底管缆的埋设。本发明提出的喷冲臂的优化设计方法，是在相同水泵扬程条件下，考虑管道沿程损失，采用理论分析和CFD数值模拟相结合的方法进行喷冲臂形状设计及优化，从而实现射流挖沟机喷冲臂的优化设计，为今后喷射式挖沟机的设计开发提供参考。

本发明采用的技术手段如下：

一种水下射流挖沟机喷冲臂的优化设计方法，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；