水力冲射式海底挖沟机喷射结构的设计与分析
摘 要摘 要海洋油气资源日益成为国际瞩目的战略性资源，油气输送需要管道作为载体，而管道的铺设需要海底挖沟机进行开沟，水力冲射式海底挖沟机是目前应用最广泛的海底开沟机械。它采用后挖沟方法，主要工作原理是利用射流管上的喷嘴喷射高压水流进行破岩开沟。 本课题主要针对喷嘴的内部结构参数进行设计，采用SolidWorks2013 flow simulation软件进行流体分析，进一步优化。喷嘴类型选用锥形喷嘴和旋转射流喷嘴进行设计分析，并对两种喷嘴进行多角度、多距离组合进行设计分析，得出结果进行比较，确定最佳的喷嘴组合结构。采用喷嘴的组合结构获得较大的冲击力和冲蚀面积，考虑实际的开沟作业，将组合喷嘴按照“S”型排布安装在射流管上，，增强破岩效果，提高挖沟效率。关键词:水力冲射式；海底挖沟机；喷嘴；组合结构；流体分析 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外挖沟机的研究现状 1
1.2.1 国外挖沟机的发展现状 1
1.2.2 国内挖沟机的发展现状 3
1.2.3 射流喷嘴的研究现状 4
1.3 研究内容与方法 5
1.3.1 研究的主要内容 5
1.3.2 基本设计思路 6
1.3.3 研究的主要方法 6
第二章 单一喷嘴的喷射结构建模与流体分析 7
2.1 喷嘴的优缺点比较及综合性能分析 7
2.2 水力冲射式海底挖沟机喷射结构技术要求 7
2.3 高压泵的选择及其参数 7
2.4 旋转射流喷嘴的建模与流体分析 8
2.4.1 旋转射流喷嘴的结构参数设计 8
2.4.2 旋转射流喷嘴模型的建立 9
2.4.3 旋转射流喷嘴模型的网格化 10
2.4.4 旋转射流喷嘴计算条件和边界条件的设置 10
2.4.5 旋转射流喷嘴的流体分析 14
2.5 锥形喷嘴的建模与流体分析 18
2.5.1 锥形喷嘴的结构参数设计 18
2.5.2 锥形喷嘴模型的建立 19
2.5.3 锥形喷嘴模型的网格化 19
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2.4.3 旋转射流喷嘴模型的网格化 10
2.4.4 旋转射流喷嘴计算条件和边界条件的设置 10
2.4.5 旋转射流喷嘴的流体分析 14
2.5 锥形喷嘴的建模与流体分析 18
2.5.1 锥形喷嘴的结构参数设计 18
2.5.2 锥形喷嘴模型的建立 19
2.5.3 锥形喷嘴模型的网格化 19
2.5.4 锥形喷嘴计算条件和边界条件的设置 20
2.5.5 锥形喷嘴的流体分析 24
2.6 本章小结 29
第三章 组合喷嘴的建模与流体分析 30
3.1 夹角10°距离5d组合喷嘴 30
3.1.1 模型的建立 30
3.1.2 模型的网格划分 30
3.1.3 计算条件和边界条件的设置 31
3.1.4 流体分析 33
3.2 夹角15°距离8d组合喷嘴 35
3.2.1 模型的建立 35
3.2.2 模型的网格划分 35
3.2.3 计算条件和边界条件的设置 35
3.2.4 流体分析 38
3.3 夹角20°距离10d组合喷嘴 41
3.3.1 模型的建立 41
3.3.2 模型的网格划分 42
3.3.3 计算条件和边界条件的设置 42
3.3.4 流体分析 45
3.4 夹角25°距离12d组合喷嘴 46
3.4.1 模型的建立 47
3.4.2 模型的网格划分 47
3.4.3 计算条件和边界条件的设置 47
3.4.4 流体分析 50
3.5 夹角30°距离13d组合喷嘴 54
3.5.1 模型的建立 54
3.5.2 模型的网格划分 55
3.5.3 计算条件和边界条件的设置 55
3.5.4 流体分析 58
3.6 本章小结 62
第四章 喷嘴的“S”型分布 63
4.1 破岩作业过程分析 63
4.2 喷嘴的排布方式 63
4.3 模型的建立和简化 63
4.4 模型的的相关参数的计算 64
4.5 “S”型排布模型的建立 65
4.6 “S”型排布模型网格划分 65
4.7 “S”型排布模型边界条件和计算条件的设置及求解 66
4.8本章小结 67
第五章 总结与展望 68
5.1 总结 68
5.2 组合喷嘴的应用前景展望 68
致谢 70
参考文献 71
第一章 绪论
1.1 研究背景
一种应用于海底挖沟作业的机器——海底挖沟机将人类对于海底进行开发、探索资源以促进人类社会发展推向了一个崭新的时代，海底挖沟机的诞生无疑是人类在水下建立管道运输机制的关键所在。
随着科技发展与经济全球化的推动，人类对于地球上的资源的利用不仅仅局限于陆地与上空，更将开发的领域拓展到海洋[1]。无论是海底旅游业，还是具有重要战略性意义的海洋油气资源的争夺与开采，都需大量的海底作业。将海底油气资源运输到陆地上不可避免的需要以管道作为运输载体[2]。因此，在海底挖设沟渠铺设运输管道成为重中之重，而以人力劳动在海底来完成大规模的挖沟作业几乎是不可能的。于是，各式各样的海底挖沟机应运而生，有关海底挖沟的实验也在不断的进行着。
1.2 国内外挖沟机的研究现状
在海洋工程的建设与实施过程中，海底开采的油气所用到的集中运输形式有多种。但是，不管采用何种形式，海底开沟铺设管道路线都将是海洋工程建设过程中的关键组成部分。1964年，海底开沟铺设油气管道这一海洋工程项目在北美墨西哥初露头角，当时所使用的是世界上第一套用于海底管道作业的后开沟型冲射滑橇[2]。应海洋工程的建设发展需求，当初的高压水冲射滑橇，日益发展成多种多样的水力冲射式海底挖沟机、海底犁式挖沟机、机械式挖沟机[2][6][7]，而当前的世界各地海底挖沟铺设管道工程项目由三大种类挖沟机械装备共同支撑实施，先后铺设的油气管道总长达5万多公里。管道作为五大运输方式之一，因安全性高、连续性好、运输量大，在海洋油气的运输中得到了广泛的应用。发达国家的管道运输量已经接近80%。
1.2.1 国外挖沟机的发展现状
据统计，至今为止，仍在海底进行运输作业的管线约有36条，水力冲射开淘机械、机械式开沟机械、海底管道犁共有近百台。这些开沟机械设备在应用中不断地改进，更加适用于海底开沟作业，在海洋挖沟铺设管道工程中扮演至关重要的角色，水力冲射式开沟机械具体情况如下：
水力冲射式海底挖沟的发展历史最长，也是当前世界上应用最多的一种开沟机械。它从滑撬式、牵引式、自推进式冲射挖沟机一步步发展成现在的水力冲射式海底挖沟机[8]。
（1）滑撬式
滑撬式是水力冲射挖沟机的前身，机架、滑撬、冲射腿、水面支持母船上的空压机、水泵、脐带软管等是其关键组成部分。滑撬式冲射挖沟机如图11，挖沟机工作由拖拽挖沟机沿海底管道方向挖沟的母船，喷射高压水冲出沟型的
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外挖沟机的研究现状 1
1.2.1 国外挖沟机的发展现状 1
1.2.2 国内挖沟机的发展现状 3
1.2.3 射流喷嘴的研究现状 4
1.3 研究内容与方法 5
1.3.1 研究的主要内容 5
1.3.2 基本设计思路 6
1.3.3 研究的主要方法 6
第二章 单一喷嘴的喷射结构建模与流体分析 7
2.1 喷嘴的优缺点比较及综合性能分析 7
2.2 水力冲射式海底挖沟机喷射结构技术要求 7
2.3 高压泵的选择及其参数 7
2.4 旋转射流喷嘴的建模与流体分析 8
2.4.1 旋转射流喷嘴的结构参数设计 8
2.4.2 旋转射流喷嘴模型的建立 9
2.4.3 旋转射流喷嘴模型的网格化 10
2.4.4 旋转射流喷嘴计算条件和边界条件的设置 10
2.4.5 旋转射流喷嘴的流体分析 14
2.5 锥形喷嘴的建模与流体分析 18
2.5.1 锥形喷嘴的结构参数设计 18
2.5.2 锥形喷嘴模型的建立 19
2.5.3 锥形喷嘴模型的网格化 19
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2.4.3 旋转射流喷嘴模型的网格化 10
2.4.4 旋转射流喷嘴计算条件和边界条件的设置 10
2.4.5 旋转射流喷嘴的流体分析 14
2.5 锥形喷嘴的建模与流体分析 18
2.5.1 锥形喷嘴的结构参数设计 18
2.5.2 锥形喷嘴模型的建立 19
2.5.3 锥形喷嘴模型的网格化 19
2.5.4 锥形喷嘴计算条件和边界条件的设置 20
2.5.5 锥形喷嘴的流体分析 24
2.6 本章小结 29
第三章 组合喷嘴的建模与流体分析 30
3.1 夹角10°距离5d组合喷嘴 30
3.1.1 模型的建立 30
3.1.2 模型的网格划分 30
3.1.3 计算条件和边界条件的设置 31
3.1.4 流体分析 33
3.2 夹角15°距离8d组合喷嘴 35
3.2.1 模型的建立 35
3.2.2 模型的网格划分 35
3.2.3 计算条件和边界条件的设置 35
3.2.4 流体分析 38
3.3 夹角20°距离10d组合喷嘴 41
3.3.1 模型的建立 41
3.3.2 模型的网格划分 42
3.3.3 计算条件和边界条件的设置 42
3.3.4 流体分析 45
3.4 夹角25°距离12d组合喷嘴 46
3.4.1 模型的建立 47
3.4.2 模型的网格划分 47
3.4.3 计算条件和边界条件的设置 47
3.4.4 流体分析 50
3.5 夹角30°距离13d组合喷嘴 54
3.5.1 模型的建立 54
3.5.2 模型的网格划分 55
3.5.3 计算条件和边界条件的设置 55
3.5.4 流体分析 58
3.6 本章小结 62
第四章 喷嘴的“S”型分布 63
4.1 破岩作业过程分析 63
4.2 喷嘴的排布方式 63
4.3 模型的建立和简化 63
4.4 模型的的相关参数的计算 64
4.5 “S”型排布模型的建立 65
4.6 “S”型排布模型网格划分 65
4.7 “S”型排布模型边界条件和计算条件的设置及求解 66
4.8本章小结 67
第五章 总结与展望 68
5.1 总结 68
5.2 组合喷嘴的应用前景展望 68
致谢 70
参考文献 71
第一章 绪论
1.1 研究背景
一种应用于海底挖沟作业的机器——海底挖沟机将人类对于海底进行开发、探索资源以促进人类社会发展推向了一个崭新的时代，海底挖沟机的诞生无疑是人类在水下建立管道运输机制的关键所在。
随着科技发展与经济全球化的推动，人类对于地球上的资源的利用不仅仅局限于陆地与上空，更将开发的领域拓展到海洋[1]。无论是海底旅游业，还是具有重要战略性意义的海洋油气资源的争夺与开采，都需大量的海底作业。将海底油气资源运输到陆地上不可避免的需要以管道作为运输载体[2]。因此，在海底挖设沟渠铺设运输管道成为重中之重，而以人力劳动在海底来完成大规模的挖沟作业几乎是不可能的。于是，各式各样的海底挖沟机应运而生，有关海底挖沟的实验也在不断的进行着。
1.2 国内外挖沟机的研究现状
在海洋工程的建设与实施过程中，海底开采的油气所用到的集中运输形式有多种。但是，不管采用何种形式，海底开沟铺设管道路线都将是海洋工程建设过程中的关键组成部分。1964年，海底开沟铺设油气管道这一海洋工程项目在北美墨西哥初露头角，当时所使用的是世界上第一套用于海底管道作业的后开沟型冲射滑橇[2]。应海洋工程的建设发展需求，当初的高压水冲射滑橇，日益发展成多种多样的水力冲射式海底挖沟机、海底犁式挖沟机、机械式挖沟机[2][6][7]，而当前的世界各地海底挖沟铺设管道工程项目由三大种类挖沟机械装备共同支撑实施，先后铺设的油气管道总长达5万多公里。管道作为五大运输方式之一，因安全性高、连续性好、运输量大，在海洋油气的运输中得到了广泛的应用。发达国家的管道运输量已经接近80%。
1.2.1 国外挖沟机的发展现状
据统计，至今为止，仍在海底进行运输作业的管线约有36条，水力冲射开淘机械、机械式开沟机械、海底管道犁共有近百台。这些开沟机械设备在应用中不断地改进，更加适用于海底开沟作业，在海洋挖沟铺设管道工程中扮演至关重要的角色，水力冲射式开沟机械具体情况如下：
水力冲射式海底挖沟的发展历史最长，也是当前世界上应用最多的一种开沟机械。它从滑撬式、牵引式、自推进式冲射挖沟机一步步发展成现在的水力冲射式海底挖沟机[8]。
（1）滑撬式
滑撬式是水力冲射挖沟机的前身，机架、滑撬、冲射腿、水面支持母船上的空压机、水泵、脐带软管等是其关键组成部分。滑撬式冲射挖沟机如图11，挖沟机工作由拖拽挖沟机沿海底管道方向挖沟的母船，喷射高压水冲出沟型的
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