水力冲射海底开沟机的参数优化

论文摘要

水力冲射海底开沟机是海底输油管道开沟铺设的专用设备。研究发现目前国内在开发设计冲射开沟机过程中存在许多问题,其中最重要的问题是射流相关参数设置无依据,完全依靠设计者的经验来确定,行业和国家也没有相关的理论标准。该问题导致无法确定射流参数是否合适,无法最大限度地发挥开沟机的射流破土能力。本文研究了影响水射流破土性能的喷嘴结构参数和射流破土过程相关参数,并对这些参数进行了优化。首先,研究了喷嘴内部结构参数对水流速度提升效率的影响,采用数值模拟与正交试验相结合的方法,确定喷嘴内部结构的最优改进方案。其次,研究了射流过程参数对破土效果的影响,主要采用数值模拟和无量纲化分析的方法,确定了射流参数和破土效果之间的关系,得出有效靶距范围,确定射流角度的优化值。本文研究工作主要得出以下结论:(1)利用正交试验法进行数值模拟方案设计,可大大减少数值模拟次数和数据处理数量,并完全能够达到全面数值模拟的效果,节约大量时间和成本,对今后的数值模拟方案设计具有指导意义。(2)通过数值模拟的方法,研究了喷嘴内部结构对出口性能的影响。在喷嘴直径确定的条件下,影响喷嘴效率的主要因素是喷嘴收缩段长度和扩散角度,其次是喷嘴扩散段长度。根据数值模拟的结果,对喷嘴内部结构进行了改进,提升了喷嘴性能。(3)通过对多组模拟实验结果数据的无量纲化分析,同时根据射流破土临界压力理论,推导出破土临界压力与靶距关系方程,且由此方程计算得出特定条件下开沟机射流破土临界靶距,即在靶距小于140mm时,可认为射流破土是有效的。(4)固定几组靶距,对不同射流角度壁面所受总压力进行分析,得出了最佳射流角度,即当射流方向与壁面夹角为75°时,可认为壁面受力最大,破土效果较好,同时证明了破土效果并非是垂直射流时最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 海底开沟技术装备综述
• 1.2.1 国外海底开沟技术装备概述
• 1.2.2 我国海底开沟机开发研制情况
• 1.3 本文工作概述
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文的内容安排
• 2 理论基础及FLUENT实现
• 2.1 喷嘴内部结构对射流的影响
• 2.2 喷嘴内部流场的数值模拟
• 2.2.1 湍流建模
• 2.2.2 近壁建模
• 2.2.3 GAMBIT与FLUENT软件简介
• 2.2.4 喷嘴模型与网格划分
• 2.2.5 边界条件的设定
• 2.2.6 数值计算过程
• 2.3 速度场的计算结果及分析
• 2.4 本章小结
• 3 正交试验设计理论基础及喷嘴结构方案设计
• 3.1 正交试验设计基础理论
• 3.1.1 正交试验设计的发展与应用
• 3.1.2 正交试验设计的基本步骤
• 3.1.3 正交试验与全面试验以及单因素轮换试验的比较
• 3.1.4 正交试验的结果分析
• 3.1.5 正交试验设计的方差分析
• 3.2 数值模拟试验方案设计
• 3.2.1 试验考察指标
• 3.2.2 试验因素
• 3.2.3 因素的水平
• 3.2.4 试验方案设计
• 3.3 正交设计模拟试验结果分析
• 3.3.1 正交表的直观分析
• 3.3.2 正交表的方差分析
• 3.4 喷嘴内部结构改进方案
• 3.4.1 改进后喷嘴结构
• 3.4.2 改进结构的喷嘴内部流速场
• 3.5 本章小结
• 4 射流破土相关参数研究
• 4.1 国内外研究现状综述
• 4.1.1 紊动水射流理论
• 4.1.2 射流破土机理及土体临界破坏压力
• 4.2 喷嘴内外流场的数值模拟
• 4.2.1 喷嘴内外流场几何模型建立与网格划分
• 4.2.2 FLUENT对自由射流喷嘴内外流场的数值模拟
• 4.2.3 冲击射流数值模拟
• 4.3 数值模拟数据分析
• 4.3.1 壁面压力分布
• 4.3.2 有效靶距的确定
• 4.3.3 射流角度对壁面压力的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢