射流冲土过程常用数值计算软件的对比

周〓凡1,2,倪福生1,2,顾〓磊1,2
(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州〓213022)
(2.疏浚教育部工程研究中心，江苏 常州〓213022)

    射流冲土技术被广泛应用于工程实际中。例如，在隧道支撑加固工程中，水射流破土扩孔兼有柔性切割、柔性破碎以及清洗功能，大大提高了扩孔效率［1］。在海底开沟铺设管道工作中，利用水射流开沟机对海底进行喷冲，以实现基础开挖和埋管［2］。在疏浚行业中，射流冲土降低耙头切削力以辅助耙头挖泥，增加了水流局部紊动能，提高挟沙能力，大大提高了挖掘效率［3］。因而，研究射流冲土过程有着重要的科学价值和实际意义。
    射流冲土的主要研究手段有实验和数值模拟。实验观测得到第一手数据，结果可靠。但实验土体制备繁琐、破土环境浑浊且坑形不宜观测。此外，大量重复实验耗费人力、物力，增加研究成本。数值计算可直观显示冲土过程中流场和土体内部信息，易得到射流坑形数据。最主要的是可以改变射流参数，便于研究其对冲刷过程和冲坑的影响。因此，数值计算可以有效地研究射流破土机理以及冲坑形态变化。目前，利用数值计算进行射流破土的研究较少，相关文献不多。针对不同土壤性质利用哪种软件尚无定论，仍需进一步探索。本文将对常用数值计算软件进行概括和比较，指出各软件在模拟射流冲刷过程中的特点和适用性，为研究人员提供参考，从而节省研究时间和精力。

1〓现有软件
    目前，针对射流冲土数值计算的常用软件有FLUENT、FLOW-3D、SPH（smoothed particle hydrodynamics）和ALE（arbitrary lagrange-euler）。
    钱忠东等［4］利用FLUENT软件对二维淹没射流作用下的无黏性沙床的冲刷进行数值计算，动态平衡状态下冲坑剖面的形态计算结果与实验结果较吻合，但坑口两侧的沙子未能堆积。
    刘成林等［5］采用FLOW-3D中的泥沙冲刷模型结合RNG模型和FAVOR方法，进行了射流冲刷固定底板下游泥沙的模拟实验。结果显示，模拟冲刷过程中的水面线和速度分布与实验结果吻合度很高，冲刷过程中的冲坑深度和堆丘高度吻合度不高。
    张德义［6］采用SPH进行了二维垂向淹没射流冲刷砂土研究，从数值计算的结果以及冲刷过程两个方面与实验进行对比。模拟冲刷坑是对称发展的，砂床粒子并未形成堆积；实验冲刷坑是随机发展的，且有砂土堆积。
张浩［3］利用ALE模拟黏土的冲刷效果，并与实验结果进行对比。模拟结果与实验结果在坑形上存在差异：坑深大于实验结果，坑宽小于实验结果。

2〓软件特点及适用性
2.1〓土壤几何模型
    利用常用软件构建土壤的几何模型，主要分成……


作者简介：周凡(1992—)，男，安徽安庆人，河海大学硕士研究生，主要研究方向为疏浚设备与技术。




（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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