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硬质黏土淹没射流冲刷试验研究

人民黄河 2024年第2期46卷 152-156,162页

作者：潘振东赵荥王仲梅张文皎张世宝华北水利水电大学水利学院河南郑州450045 黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003 水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室河南郑州450003 河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室河南郑州450003

近年来自吸式管道排沙系统以其省水、高效、廉价等优势,逐渐成为水库清淤的主要措施之一,然而在遇到土颗粒较细、淤积历时较长的硬质黏土时,它的清淤效果下降明显。为了探究硬质黏土的破土机制和起动影响因素,采用模型试验的方法,选取... 详细信息

近年来自吸式管道排沙系统以其省水、高效、廉价等优势,逐渐成为水库清淤的主要措施之一,然而在遇到土颗粒较细、淤积历时较长的硬质黏土时,它的清淤效果下降明显。为了探究硬质黏土的破土机制和起动影响因素,采用模型试验的方法,选取一种黏性泥沙,通过负压固结的方式制备硬质黏土样,然后进行了不同出口流速、喷嘴尺寸和射流靶距的直立淹没射流试验。试验结果表明,鉴于土样存在黏性,其受冲刷破土机制与无黏性土存在较大差异,冲坑发育过程存在一定的随机性和自相似性,并且射流冲刷效率与射流出口流速和喷嘴尺寸成正比、与射流靶距成反比,同时射流靶距对冲刷坑形态的影响最为明显。

关键词：水库清淤工程硬质黏土射流冲刷出口流速喷嘴尺寸射流靶距

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板结泥沙固结特性及射流冲刷规律研究

板结泥沙固结特性及射流冲刷规律研究

作者：潘振东华北水利水电大学

学位级别：硕士

近年来,泥沙淤积问题已成为许多中小型水库重点关注的问题之一,直接关系到水库大坝的使用寿命和综合效益。现有的各水库泥沙淤积调查表明,大多数水库的淤积物主要分布于坝前壅水区,此区域淤积物较多且以悬移质泥沙为主,土体颗粒较细,在... 详细信息

近年来,泥沙淤积问题已成为许多中小型水库重点关注的问题之一,直接关系到水库大坝的使用寿命和综合效益。现有的各水库泥沙淤积调查表明,大多数水库的淤积物主要分布于坝前壅水区,此区域淤积物较多且以悬移质泥沙为主,土体颗粒较细,在受到较大水压力的长时间持续作用下,淤积物逐渐固结密实,最终形成“板结泥沙”,这种泥沙具有较强的抗冲性能,很难进行射流清淤操作,是现阶段水库清淤工程的关键难点之一。本研究采用固结力学指标测试、射流冲刷试验和理论分析等手段,剖析了板结泥沙的干密度、含水率和抗剪强度等物化指标与淤积固结条件的关系,研究了板结泥沙在不同射流水动力条件下的土体破坏形式、泥沙起动情况和冲刷坑发展规律,揭示了不同射流水动力条件、射流方式等参数对板结泥沙射流冲刷效率的影响机制。主要研究成果如下:(1)经过分级真空预压加固法制备的板结泥沙样,其抗剪强度和干密度值与第二级负压固结时间成正比,最大抗剪强度可达48 k Pa左右,最大干密度可达到1.42 g/cm。对制备所得板结泥沙样进行物理力学性质测试,水平方向上,土样抗剪强度和干密度值沿中心向边壁方向沿程递增,含水率沿程递减;垂直方向上,土样抗剪强度和干密度值随深度增大而增大,含水率先增大后减小。(2)板结泥沙受射流破坏过程分为起动前、快速下切、缓慢扩展和稳定四个阶段。无黏性泥沙与板结泥沙受射流破坏现象存在显著差异,在土体破坏机制方面,无黏性泥沙以单个颗粒的形式运动,而板结泥沙是以多颗粒成片或成团的形式运动的;在冲坑形态方面,无黏性泥沙冲坑连续光滑,而板结泥沙冲坑周围坑形不规则,且有明显的锯齿、收口和泥面突起。(3)研究了不同土样强度和射流水动力条件对板结泥沙射流破土效率的影响。二维射流试验结果表明:冲刷坑最大深度与土样抗剪强度和射流靶距成反比,与射流速度和喷嘴尺寸成正比;冲刷坑宽度与射流速度、喷嘴尺寸和射流靶距成正比。三维射流破土试验结果表明:冲坑最大深度和起动泥沙量均与土样强度和射流靶距成反比,与射流速度和喷嘴尺寸成正比;表面破土范围与射流速度和喷嘴尺寸成正比。对比相同工况二维试验,三维冲坑在尺寸上较二维冲坑略小,同时,三维试验与二维试验的射流冲刷效率均与射流强度成正比,与土体强度成反比。

关键词：水库清淤工程板结泥沙固结特性射流冲刷

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垂直射流冲刷砂床的喷嘴间距试验研究

泥沙研究 2017年第3期42卷 54-58页

作者：顾磊倪福生徐立群申振河海大学疏浚技术教育部工程研究中心江苏常州213022 河海大学机电工程学院江苏常州213022

疏浚工程中常利用射流进行河道清淤和冲砂施工。为探究喷嘴间距对射流冲刷的影响,开展了一系列不同靶距、速度和间距的双喷嘴冲刷粗砂、中砂砂床试验,分析了冲刷坑形、冲坑深度和冲坑截面积的变化特性,得到了各工况下的最优喷嘴间距L_B... 详细信息

疏浚工程中常利用射流进行河道清淤和冲砂施工。为探究喷嘴间距对射流冲刷的影响,开展了一系列不同靶距、速度和间距的双喷嘴冲刷粗砂、中砂砂床试验,分析了冲刷坑形、冲坑深度和冲坑截面积的变化特性,得到了各工况下的最优喷嘴间距L_B和不利喷嘴间距L_N。结果表明,对于同一粒径砂床,改变靶距和速度冲刷时的L_B和L_N值变化较小,而与粗砂砂床相比,冲刷中砂砂床时的L_B和L_N值均有所增加。研究成果可供疏浚工程中射流系统设计作为参考。

关键词：喷嘴间距射流冲刷粗砂中砂试验

基于ALE方法的射流冲刷砂土和黏土的数值计算

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科学技术与工程 2017年第11期17卷 103-107页

作者：顾磊倪福生张浩河海大学疏浚技术教育部工程研究中心常州213022 河海大学机电工程学院常州213022

疏浚工程中常采用射流冲刷的方式辅助切削土壤,但面对不同土质时其效果差异较大。针对疏浚中常见的砂土和黏土两种土质,采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对其射流冲刷过程进行了数值计算,通过实验验证了计算结果的有效性,比... 详细信息

疏浚工程中常采用射流冲刷的方式辅助切削土壤,但面对不同土质时其效果差异较大。针对疏浚中常见的砂土和黏土两种土质,采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对其射流冲刷过程进行了数值计算,通过实验验证了计算结果的有效性,比较了两种土质在射流冲刷下的坑深发展、冲坑形态和冲刷能耗。结果表明:两种土质的冲刷坑深在初始阶段均线性增长,相同冲刷速度下黏土的发展速度较慢;两种土质的冲刷坑形均具有相似性,冲刷黏土获得的坑形更为陡峭;随着目标坑深的增长,两种土质所需冲刷速度线性增加,获得相同冲坑深度时,黏土(剪切强度17 kPa)所需能耗达砂土的十多倍。

关键词：射流冲刷砂土黏土 ALE 疏浚

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水下射流冲刷的数值模拟

水下射流冲刷的数值模拟

作者：孙成宇华中科技大学

学位级别：硕士

随着近年来油气资源的开采输送,铺设快速难度低的海底管道是目前最为快捷经济的海上油气运输方式。为了保证海底管道的安全性,通常会采取挖沟埋设处理。在挖沟埋设工程中,后挖沟技术最为常见。由于作业水深、管道管径不断增加,对挖沟深... 详细信息

随着近年来油气资源的开采输送,铺设快速难度低的海底管道是目前最为快捷经济的海上油气运输方式。为了保证海底管道的安全性,通常会采取挖沟埋设处理。在挖沟埋设工程中,后挖沟技术最为常见。由于作业水深、管道管径不断增加,对挖沟深度的要求也不断增大。对此,研究不同因素对于水下冲刷效果的影响,对于实际水下射流挖沟系统的设计优化是十分必要的。本文通过三维数值模拟,对影响冲刷效果的因素进行了研究分析。本文在前人的研究工作上,基于FLOW-3D的泥沙冲刷模型建立冲刷数值模型,结合挖沟设备尺度参数,进行水下射流冲刷模拟。首先对泥沙冲刷模型进行了验证计算,确定了该模型在水下射流冲刷问题上的可靠性。接着对固定双喷管射流冲刷进行模拟,从流速和压力分布、悬沙浓度、冲刷断面变化等方面对冲刷过程进行了相应分析,并研究了不同射流速度下的冲刷效果和冲刷轮廓自相似性,结果表明射流速度越大,冲坑尺度越大,且不同射流速度下的冲刷轮廓具有自相似性。最后对移动双喷管射流冲刷进行模拟,分析不同移动速度、射流速度、泥沙粒径对冲刷效果的影响,并且对于二次冲刷和管道预埋问题进行了研究。结果表明,在所计算的工况中,移动速度越小,射流速度越大,泥沙粒径越小,则冲坑尺度越大;在冲水挖沟工程中,二次冲刷对冲刷效果提升很大,而为提高挖沟效率,管道预埋则应当避免。

关键词：海底管道 FLOW-3D 泥沙冲刷射流冲刷

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平面淹没射流垂直冲刷泥沙试验研究

人民黄河 2019年第6期41卷 38-43页

作者：顾磊倪雁黄佳丽倪福生河海大学疏浚技术教育部工程研究中心江苏常州213022 中交上海航道勘察设计研究院有限公司上海200120 河海大学机电工程学院江苏常州213022

射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用,冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径,进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明:冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间... 详细信息

射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用,冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径,进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明:冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间均呈现快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期3个发展阶段,在此过程中,泥沙悬浮尺寸会出现峰值,最终在某一数值上下波动;总体上冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随射流速度和喷射靶距的增大而基本呈线性增大,短时间(1 s)内靶距的增加对冲坑深度的影响较小;冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随粒径的增大有所减小;冲刷参数可以用来综合衡量射流的冲刷能力,随着射流冲刷参数的增大,无量纲化的冲坑深度、悬沙高度和悬沙宽度均呈线性增长趋势。

关键词：冲刷参数冲坑尺寸泥沙悬浮尺寸射流冲刷泥沙清淤工程

射流助推式ROV型开沟机喷射臂及其冲刷过程研究

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射流助推式ROV型开沟机喷射臂及其冲刷过程研究

作者：戴必林浙江大学

学位级别：硕士

海底电缆输电工程是跨海域输电联网工程建设的关键部分,在实现电网国际化和区域电网互联进程中起着重要作用。为了对其进行的保护通常为挖沟埋设,对于浙江沿海海底地形复杂、流急多礁的恶劣条件,后挖沟技术最为适用,而ROV型挖沟机在后... 详细信息

海底电缆输电工程是跨海域输电联网工程建设的关键部分,在实现电网国际化和区域电网互联进程中起着重要作用。为了对其进行的保护通常为挖沟埋设,对于浙江沿海海底地形复杂、流急多礁的恶劣条件,后挖沟技术最为适用,而ROV型挖沟机在后挖沟技术中最为常用。而现有ROV型挖沟机在推进器作为动力时相对于履带推进时冲刷功率下降,使冲刷效率下降。因此,研究不同因素对冲刷效果的影响,对优化射流助推型ROV型挖沟机喷射系统是十分必要的。本文通过理论分析、缩小模型试验和数值仿真,分析验证了喷射臂参数与冲刷效果的关系。本文第一章主要介绍了本课题的研究背景、挖沟机及其喷射系统的研究现状。根据作业需求和各类挖沟机的优缺点分析,提出了本课题的研究意义和研究的主要内容。本文第二章在分析射流助推型ROV型挖沟机现状和作业需求的基础上,提出了提高该类挖沟机效率的方法,并分析了冲刷参数对效率提升的影响。结合喷嘴冲刷过程中的射流破土基理和射流冲淤基理,分析上述冲刷参数及其它参数与破土应力和输沙率的关系。本文第三章采用了Flow-3D软件进行了喷射冲刷仿真来分析了单喷嘴冲刷过程以及组合喷嘴冲刷时相邻喷嘴间的影响。从冲刷过程的流速和压力分布、悬沙浓度等参数的的变化对冲刷过程进行了详细的分析,并分析了改变冲刷靶距和喷嘴间距时对相邻喷嘴冲刷效果的影响改变。本文第四章根据相似模型理论设计单喷嘴冲刷的缩小模型静态冲刷和移动冲刷试验。根据试验需求选定了试验底质并进行了分析,设计了试验平台的调节装置和驱动装置,以及试验用喷射系统等,并设计了观测装置。本文第五章对比了单喷嘴冲刷的仿真和试验结果,验证了仿真结果的可靠性,并分析了冲刷角、冲刷靶距、冲刷流量、以及冲刷流速对冲刷效果的影响,以及不同冲刷参数时冲刷轮廓的自相似性;移动冲刷试验主要分析了移动冲刷时,不同冲刷角的冲刷效果、不同移动速度的冲刷效果以及不同冲刷参数下的冲刷断面的自相似性。本文第六章对全文的主要研究工作进行了总结,并对其存在的不足提出了进一步研究和改进的方向。

关键词：射流助推型 ROV型挖沟机喷射臂射流冲刷冲刷仿真

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二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

中国科学：技术科学 2012年第1期42卷 72-81页

作者：槐文信王增武钱忠东韩雅琼武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室武汉430072

基于紊流理论和射流冲刷机理,本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型.以拖曳力为主要参变数,导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型,将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准,模型中没有考虑悬移质的运动,推移质运动所引起的河床形... 详细信息

基于紊流理论和射流冲刷机理,本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型.以拖曳力为主要参变数,导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型,将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准,模型中没有考虑悬移质的运动,推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述,从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型.针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究,得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料.选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算,试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程,两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性,进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式.

关键词：射流冲刷数值模拟动网格希尔兹数

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泥沙粒径及射流速度对沙床冲刷的影响

人民长江 2017年第23期48卷 79-83,99页

作者：刘思源河海大学港口海岸与近海工程江苏南京210098

射流冲刷在众多疏浚工程中应用广泛并发挥了重要作用,对其开展深入研究很有必要。基于Eulerian二相流模型和k-ε湍流模型,以粒径为0.04~0.23 mm的沙床为研究对象,进行了二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟,研究了粒径和射流速度对沙床... 详细信息

射流冲刷在众多疏浚工程中应用广泛并发挥了重要作用,对其开展深入研究很有必要。基于Eulerian二相流模型和k-ε湍流模型,以粒径为0.04~0.23 mm的沙床为研究对象,进行了二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟,研究了粒径和射流速度对沙床冲刷的影响。结果表明,在研究的粒径范围内,最大冲刷深度和悬浮泥沙体积与流速成正相关,与粒径成负相关,且流速的影响更大。

关键词：泥沙粒径射流流速射流冲刷数值模拟