夏保琴，倪福生，顾 磊

(河海大学机电工程学院，江苏 常州213022)

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0407404）；国家自然科学基金资助项目（51709094）

作者简介：夏保琴（1996—），女，硕士研究生，主要研究方向为疏浚设备与技术，xiabq163@163.com.

摘要：以中值粒径1.8 mm的粗砂砂床为研究对象，利用泥砂冲刷模型模拟二维垂向淹没射流冲刷砂床，分析了淹没水深对射流冲刷深度和宽度的影响。结果表明：水深变化对冲刷效果基本无明显影响，但水深过小会降低冲刷过程中坑深的发展速率。研究结果可以为不同水深条件下的疏浚工艺设计提供参考。

关键词：淹没深度；射流；冲刷；冲刷效果；数值模拟

中图分类号：U442.32；O358   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)06-0072-04

高压水射流作为一种新型疏浚技术在疏浚工程中具有重要作用，高压水射流不仅可以降低耙吸挖泥船耙头的切削力、减少耙头堵塞，还可以用于预切削、破岩切削、冲刷清淤^［1］。近年来，我国的疏浚行业发展迅猛，大量学者致力于射流的特性和规律的深入研究及新型射流开发。

关于射流局部冲刷的特性研究，前人做了大量的模拟和实验，并取得了一定的成果。倪福生团队^［2-4］根据水射流冲刷的模拟及实验结果，得到了射流速度、冲刷时间以及靶距对射流冲刷效果的影响，但尚未开展水深对射流冲刷效果影响的研究。关于水深，王宗龙等^［5］模拟水下环境，做了水深为5~30 m的多组实验，发现对于同一喷嘴，在不同射流压力下，会出现淹没磨料射流的最佳水深区域。磨料射流是指通过颗粒在喷嘴中与高速流体进行能量交换，从而使颗粒获得能量进行冲蚀。水深对固体颗粒与纯水的影响不同，目前仍不清楚水深对纯水射流冲刷泥砂的影响规律。水深变化直接引起淹没环境的静水压力变化，探索水深实际上就是研究压力对射流冲刷效果的影响。射流冲刷关于水压的研究不多，在石油工程领域，周围岩体对岩石施加的压力叫做围压，有学者对此做了大量相关研究。李敬彬等^［6］通过围压射流冲击压力测量装置，得到了憋压式加载条件下，水力静压与冲击压力随围压的变化规律。廖华林等^［7-8］分别做了纯水破岩和磨料破岩的实验，得知围压对连续射流和空化射流破岩效果影响明显，对最优喷距的影响小。高晓东^［9］通过实验测量发现，轴向冲击压力随围压的增大，先减小得很快，到达一定范围后减小的速度变慢，直至最后轴向冲击压力趋于稳定。易灿等^［10］通过研究发现在高围压下，双射流喷嘴比普通锥形喷嘴有更强的空化能力。但石油工程中的水射流研究的重点是其破岩特性，且围压较大，与冲刷砂床的工况有所不同。

本文采用数值模拟方法研究二维垂向淹没射流水深为0~20 m时，水深变化对射流冲刷效果的影响。研究成果对水射流在工程实际中的应用有一定的指导作用，并可为后人研究水射流特性提供参考。

1理论基础数值模拟除运用连续性方程和动量方程外，主要利用泥砂冲刷模型模拟推移质运动、泥砂挟带、悬移质运动以及泥砂沉降，从而模拟泥砂的运动。