噴嘴結構對耙吸挖泥船高壓沖水性能影響的試驗研究

張戟，文武，藺永學，尹紀富，洪國軍

（1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；3.中交上海航道裝備工業有限公司，上海 201208）

0 引言

高壓沖水是耙吸挖泥船疏浚施工的重要輔助設備之一，在疏浚過程中，可通過高壓沖水系統對水下泥土進行沖刷、疏松，達到提高耙吸挖泥船疏浚效率的目的[1-2]。特別是近些年來，隨著耙吸挖泥船向大型化和大挖深方向發展，耙頭高壓沖水的作用變得更加重要。

耙吸挖泥船高壓沖水系統一般是由高壓沖水泵、管路、水箱和高壓噴嘴等諸多部件組成的復雜系統，系統中各個部件均會對高壓沖水的沖刷效率產生重要的影響，因此，通過對高壓沖水各影響因素進行全面細致的研究對耙吸挖泥船高壓噴嘴的結構設計和疏浚施工具有重要的指導意義。

高壓噴嘴在一定的沖水壓力下，其射流動能越大，噴射能力就越強，沖刷和疏松泥土的能力也就越大，對于耙吸挖泥船高壓沖水的性能，國內外專家學者開展過相關的研究[3-9]，然而，耙吸挖泥船疏浚施工過程中的高壓沖水系統仍存在許多爭論性的問題需要解決，如噴嘴的出口壓力、噴嘴的錐角、直管段長度、噴嘴對泥面的噴射角度等。

鑒于此，本文針對耙吸挖泥船常用噴嘴的結構形式，在中交疏浚技術重點實驗室多功能風浪流水槽試驗平臺上開展了不同錐角、不同直管段長度噴嘴的高壓沖水性能試驗研究，探究錐角和直管段長度對噴嘴射流特性的影響作用，為耙吸挖泥船高壓噴嘴的結構設計與疏浚施工提供重要的參考。

1 試驗平臺

本試驗在中交疏浚技術重點實驗室古翠路基地多功能風浪流水槽中進行，試驗過程中采用原型單個噴嘴進行高壓沖水性能的試驗測試。試驗平臺的結構示意圖如圖1 所示。

圖1 高壓噴嘴性能研究試驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of high pressure nozzle performance research test bench

2 試驗模型

試驗分別研究了噴嘴錐角茲和直管段長度L對射流特性的影響。對于高壓噴嘴的錐角，主要針對目前耙吸挖泥船較為常用的噴嘴錐角開展相關的研究。噴嘴模型的出口直徑為17 mm，錐角茲 分別為13°錐角、18°錐角和23°錐角。3 個錐角噴嘴的內流道及樣品如圖2 所示。

圖2 不同錐度噴嘴的內流道與樣品圖Fig.2 Diagram of internal flow passage and sample of nozzles with different tapers

對于噴嘴直管段長度L 對高壓沖水射流特性影響的研究，選取了出口直徑17 mm、錐度13°，直管段長度L 分別為1D、2D、3D、4D 和5D 等5個噴嘴模型（D 為噴嘴的出口直徑）進行研究，不同直管段長度的噴嘴內流道如圖3 所示。

圖3 不同直管段長度噴嘴內流道（mm）Fig.3 Internal flow passage of nozzles with different length of straight pipe section(mm)

3 結果及分析

3.1 噴嘴錐度對射流特性的影響

試驗選取了13°錐角、18°錐角和23°錐角等3個錐角的噴嘴開展高壓沖水特性試驗。除錐角不同外，其他試驗條件均相同，噴嘴出口壓力均采用1.6 MPa。

試驗過程中采用高清相機在相同位置對3 個不同錐角噴嘴的射流特性進行拍攝。圖4 所示為3 個不同錐角噴嘴的射流特性對比圖。就直觀性來看，13°錐角的射流水流更加集中，23°錐角噴嘴的射流水流散射相對較為明顯，18°錐角的射流水流介于13°錐角和23°錐角之間。

圖4 不同錐角噴嘴射流擴散角和擴散寬度測量Fig.4 Measurement of jet diffusion angle and diffusion width of nozzles with different cone angles

為了更加清晰地顯示不同錐角噴嘴射流的擴散范圍，研究其顯著差異，對3 個錐角噴嘴的射流水流進行定量化處理，即測量了噴嘴射流水流的擴散角茲1 和5D 射流距離處的擴散寬度L1進行分析，圖4 中所標示的數據為測量所得實際數據。

從圖4 中所示數據可以看出，噴嘴射流的擴散角茲1 和5D 射流距離處的擴散寬度L1均隨著噴嘴錐角茲的增大而增大，且均呈現出線性的變化關系。

綜上所述，在所研究的3 個錐度的噴嘴中，13°錐角噴嘴的擴散范圍更小，水柱更集中，更有利于泥土的切削。因此，13°錐角噴嘴的評價指標最優，其次為18°錐角的噴嘴，23°錐角噴嘴的評價最差。

3.2 噴嘴直管段長度對射流特性的影響

對于直管段長度L 對高壓沖水特性的影響，選取了直管段長度L 分別為1D、2D、3D、4D 和5D 等5 個噴嘴模型進行試驗。在試驗過程中，除直管段長度不同外，其他試驗條件均相同，噴嘴出口壓力均采用1.6 MPa。

試驗過程中同樣采用高清相機在相同位置對5 個不同直管段長度噴嘴的射流水流特性進行拍攝，并對噴嘴射流水流的擴散角茲1 和5D 射流距離處的擴散寬度L1進行測量和分析。

表1 給出了5 個不同直管段長度噴嘴的射流水流擴散角茲1 和5D 射流距離處擴散寬度L1的測量值的統計結果。從表1 中可以看出，對于不同直管段長度的噴嘴，其射流水流擴散角茲1 和5D射流距離處的擴散寬度L1均先隨著直管段長度L的增大迅速減小，高壓沖水的射流集中度迅速增大；當直管段長度大于3D 之后，擴散角茲1 和擴散寬度L1的變化量和變化速率變得很小。

表1 噴嘴直管段長度評價Table 1 Evaluation of nozzle straight pipe length

綜上分析，直管段長度為1D 和2D 時的擴散角和擴散范圍均大于3D~5D 直管段長度的噴嘴，且3D~5D 直管段長度的噴嘴的擴散角和擴散范圍相差較小，即當直管段長度為1D 和2D 時，高壓沖水的散射效應較為明顯，而當直管段長度為3D~5D 時，高壓沖水的射流集中度較高。因此，施工過程中推薦使用直管段長度為3D~5D 的噴嘴，能夠更好地發揮高壓沖水的作用。

4 結語

在中國交建疏浚技術重點實驗室開展了不同錐角和不同直管段長度噴嘴的射流特性的試驗研究，經過對比與分析可得到如下結論。

1）對比研究了13°錐角、18°錐角和23°錐角等3 個噴嘴的射流特性，根據擴散角和5D 射流距離處的擴散寬度可看出，13°錐角噴嘴的射流性能最優，18°錐角噴嘴的射流性能次之，23°錐角噴嘴的射流性能最差。

2）對比分析5 個不同直管段長度的噴嘴，直管段長度1D 和2D 噴嘴射流的擴散角和擴散寬度均大于3D~5D 直管段長度的噴嘴，且3D~5D 直管段長度噴嘴的擴散角和擴散寬度相差較小。因此，推薦使用直管段長度為3D~5D 的噴嘴，能夠更好地發揮高壓沖水的作用。