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原文传递射流式挖沟机喷射和抽吸系统数值模拟及优化

论文题名：	射流式挖沟机喷射和抽吸系统数值模拟及优化
关键词：	海底管道;射流式挖沟机;喷射系统;抽吸系统;多目标优化
摘要：	海底管道挖沟机具有挖沟作业耗时短、效率高等特点，是海底管道铺设过程中普遍被采用的挖沟装备。根据海底土质硬度，海底管道挖沟机分为射流式、犁式和机械式等，其中射流式适用于低黏度土体和泥砂等非黏性土体等海底土质挖沟，犁式和机械式适用于硬质土挖沟。论文针对射流式挖沟机结构方案、射流冲刷数值模型、抽吸系统射流泵流动特性和抽吸系统射流泵多目标优化等问题开展研究，解决其喷射系统冲坑坑形难以预测、抽吸系统作业效率低的难题。　　论文以海底射流式挖沟机为研究对象，研究一种具备海底管道挖沟下放和土体回填功能的海底射流式挖沟机总体设计方案。针对水下挖沟作业要求，基于射流冲刷理论，设计一种具有前向破土和后向破土能力、喷射臂对称布置的喷射系统;针对水下抽吸排泥作业要求，基于射流抽吸理论，设计一种排放角度可调、兼具疏浚和回填功能的抽吸系统;针对水下液压系统可靠性和安全性作业要求，提出一种具有压力限制、过载保护和无极调速等功能的液压系统。　　研究不同射流冲刷模型的仿真精度，实现射流式挖沟机挖沟作业效果的预测。基于泥沙输运理论与CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟技术，分析射流冲刷床面过程中的泥沙运动规律，分别采用动边界法和VOF(Volume of Fluid)多相流法建立二维射流冲刷的数值模型，将模型计算结果与实验数据进行比较，选择可靠性与精度更高的模型用于后续研究;基于数值结果，分析二维射流冲刷的冲坑特性和流场特性，验证二维射流冲刷的冲坑自似性，研究二维射流的冲坑特征尺寸变化和冲坑轮廓发展的规律。　　基于精度高的射流冲刷模型，开展射流式挖沟机喷射系统圆形射流的数值研究，分析单喷嘴定点冲刷、双喷嘴定点冲刷及移动冲刷的流场特性与冲坑形态的特性。基于数值结果，获得不同射流条件下的冲坑形态，归纳出冲坑轮廓曲线拟合公式，重点分析挖沟机移动喷嘴工况冲坑沿程形态变化，得出冲坑后方回淤现象对冲坑轮廓的影响规律，实现了海底射流式挖沟机工程应用中的冲坑轮廓预测。　　为探究海底射流式挖沟机抽吸系统的抽吸混输机理，针对环形喷嘴射流泵的三种不同喷嘴形状下的射流泵内部流场进行数值模拟，得出环形喷嘴的形状结构对射流泵性能和流场的影响规律;基于涡动力学理论，进一步研究射流泵混合机理，得出不同喷嘴的涡结构对其性能和流场的影响规律，为海底射流式挖沟机抽吸系统的设计与实际应用提供理论依据。　　最后，为解决海底射流式挖沟机抽吸系统作业效率较低的难题，以环形射流泵的吸入室收缩角、扩散角、面积比以及流量比作为设计参数，开展了抽吸系统射流泵效率与扬程比的多目标优化研究。选取OSF试验设计方法获取得非线性优化空间的样本点，然后基于RBF神经网络算法建立样本点设计参数与优化目标之间的近似模型，最后采用遗传算法对全局进行搜索寻优，并分析设计参数对优化目标的影响规律。
作者：	徐凯
专业：	机械工程
导师：	王立权
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021