基于文丘里原理海洋外排泥装置设计探究

《基于文丘里原理海洋外排泥装置设计探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

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