基于文丘里原理海洋外排泥装置的设计研究.docx

基于文丘里原理海洋外排泥装置的设计研究摘要：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。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便文丘里管能够更好的完成排泥工作提高工作效率。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；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学连续性方程与伯努利方程为：(1)(2)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)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)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大气压以下采用15°~45°本项