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时间:2017-12-05
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1、基于文丘里原理海洋外排泥装置设计探究 摘要:根据文丘里原理,设计用于50米水深海底,排泥量大于200m3/hr的外排泥装置。通过比例模型实验对理论计算的有效性进行了考察。通过对排泥管径、水泵压力、水泵流量、吸泥管内径、喷头内径的参数研究,得到设计规律,优化设计方案。关键词:文丘里,水下外排泥设备,排泥量中图分类号:U615.35+3文献标识码:A文章编号:1引言海上废弃设施已经或将要达到服役期要被拆除时,无论采用内切割方式还是外切割方式,都需要进行排泥作业。例如,平台导管架钢桩的切除、海管海缆修复、沉船打捞等项目均需根据不同情况
2、进行排泥作业。随着海洋工程水下排泥作业的日益增多,研制一个操作简单、效率高的外排泥设备是十分必要的。结合导管架桩腿外部排泥的特点,采用文丘里原理形式的外排泥系统。该系统利用文丘里效应,将工作流体通过注水管注入,在喷嘴处形成高速射流,流体经扩压室将高速度变成负压力,利用压力差将海底固液混合物吸入设备,在喉管进行动量交换,从而实现吸排作用。工作流体一般采用海水。9国外的类似设备已投入使用,例如DivingEquipmentSpecialtiesInc.公司的外排泥设备,体积较小轻便,可装套于潜水员臂膀,在水底进行吸排泥活动。国内基于文
3、丘里原理的设备主要用于化学剂混合,用于水下清淤排泥的较少。本文根据海洋拆卸排泥需要,针对海洋环境设计用于50米水深,排泥量大于200m3/hr的外排泥装备。并通过比例模型实验验证理论方法的正确性,通过对关键设计参数的研究得到设计规律,优化设计方案。2文丘里模型外排泥设备主要由上部水泵、吸泥口喷冲系统、文丘里管、吸排泥管路、管道架等组成。在进行作业时,可设计吊机与文丘里管相连接,控制文丘里管沉降深度与位置,也可将文丘里管设置把手,方便潜水员直接在水下进行操作。吸泥口喷冲系统通过喷射高压海水,将桩腿附近的泥沙打散,与海水形成两相流,以
4、便文丘里管能够更好的完成排泥工作,提高工作效率。9文丘里管为外排泥设备的核心部件,文丘里管由注入管、喷嘴、吸入管、喉管、扩散管、排泥管几个部分构成,本文根据功能要求、流体力学计算与设计要求设计文丘里装置初步模型如图1所示。注入管连接处内径为100mm,喷头出口37mm,喉管内径80mm,扩散管锥角8°,吸泥管连接处内径100mm,排泥管连接处内径200mm。整体结构采用316L号不锈钢。图1文丘里初步设计模型文丘里管能够在水下正常排泥的要点为:喷嘴处压强必须小于吸泥管入口处压强,只有产生足够的压强差,才能将淤泥通过吸泥管吸入喉管内
5、;排泥管出口处压强必须大于所处环境处外界压强,例如排泥口在水下时,排泥管出口处压强必须大于该点所在水深压强,否则会造成回流,无法将淤泥排出;设计排泥量需要达到实际工程需求,通过排泥口流速计算排泥颗粒大小,需要满足实际工程需求。这些要点既是保证外排泥设备正常工作的关键,也是设计要点。3文丘里流体计算与结构设计文丘里管内注入流体(或者气体)、吸出泥浆、混合物喷出过程均可通过连续方程与伯努利方程进行计算,以注水管为例,如图2所示,计算方法如下:图2注水管分析图在高压水泵出口P-P截面与喷头入口处1-1截面(见图2)做流体力学分析,流体力
6、学连续性方程与伯努利方程为:(1)(2)9其中,Ap为水泵出口面积;为水泵出口流速;Qp为水泵出口流量;A1为喷头入口横截面积;v1为喷头入口流速;h为水泵出口与喷头入口高差(水泵较高时为正);Pp为水泵出口压强;P1为喷头入口压强;hf和hj分别为沿程阻力损失和局部阻力损失,计算如下:(3)(4)其中,为高压水泵出口直径;为局部阻力系数,参考文献[1]4章节取值;为沿程阻力系数,由雷诺数确定,其中为动力液运动粘度。本项计算牵扯到两种不同介质的混合,因此喉管内流体的计算是流体力学计算的关键点,可采用动量方程处理喉管流体计算:(5)
7、其中,为注水流量;为排泥量;为混合物密度;为喉管横截面积;为混合物总流量;为混合物流速;为喉管出口压强;为喉管摩擦损失系数,取Sanger实验值0.098。根据雷廷格尔公式,排泥管出口流速减小,排泥颗粒减小,颗粒沉降公式为:(6)9其中,k为颗粒的形状系数,圆形颗粒为4~4.5,不规则形状的为2.5~4,本项目中取值4.5;ρs为颗粒密度,本项目中取值2.5kg/m3;ρ为泥浆密度,本项目中取值1.05kg/m3;δ为球形颗粒的直径。对于文丘里管的尺寸设计有如下要点:喷头一般锥角多采用8°~13°用于30倍大气压以上,在30大气压
8、以下,采用15°~45°,本项目设备采用30°锥角;根据文献[4],喉管长度为6~7倍的喉管内径;扩散段锥角多采用5°~8°,超过14°后将产生旋涡回流,本项目采用8°。4理论计算验证实验在浙江大学结构实验室进行,将设计的文丘里管采用1:5比例缩小
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