(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211061847.1 (22)申请日 2022.09.01 (71)申请人 中国南方电网有限责任公司超高压 输电公司广州局 地址 510460 广东省广州市黄埔区科 学大 道223号2号楼 申请人 中国电力工程顾问集团中南电力设 计院有限公司 (72)发明人 黄小卫　郭强　蒋道宇　张维佳　 李晓骏　蔡驰　李翔　冯衡　 王思宇　武硕　 (74)专利代理 机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 专利代理师 陈家安(51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确 定方法 (57)摘要 本发明提出了一种直埋海缆去保护工作的 射流设备的确定方法， 通过试验 方法对直埋海缆 去保护工作的土体土壤物理特性进行测定， 并基 于水射流技术建立直埋海缆去保护工作的射流 冲蚀仿真模 型， 不仅考虑到了直埋海缆在去保护 工作中的土体和水域工况以及射流关键参数， 还 对水射流冲蚀的直埋海缆进行了受力分析， 避免 高速射流对海缆产生二次破坏； 本发 明通过对直 埋海缆在不同工况下的射流破土仿真结果的分 析， 实现对关键射流参数的准确确定， 对射流设 备选型与参数设计提供了准确可靠的依据。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115358085 A 2022.11.18 CN 115358085 A 1.一种直 埋海缆去保护工作的射 流设备的确定方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一、 测定直埋海缆去保护工作段土体的土壤物理特性， 包括： 比重、 密度、 含水率、 体积模量、 剪切模量、 摩擦角、 黏聚力、 临界破坏压力； 步骤二、 根据土壤物理特性和土体射流破坏的必要条件： 射流在土体表面半宽范围内 的平均作用力大于土体的临界破坏压力， 初步估计射流关键参数， 包括： 喷嘴出口的速度 v0、 喷嘴出口直径d、 水射 流的靶距L； 步骤三、 依据初步估计射流关键参数， 在ANSYS中建立直埋海缆射流破土模型， 划分网 格， 导出K文件； 步骤四、 在LS_PREPOST中对K文件进行修改， 使用ALE算法， 定义材料、 边界条件、 接触、 载荷、 控制方程， 得到修 正K文件； 步骤五、 将修 正的K文件导入到LS_DYAN中进行求 解分析， 得到 仿真模型； 步骤六、 在LS_PREPOS中对仿真模型进行后处理， 得到直埋海缆去保护工作的仿真结 果； 步骤七、 对仿真结果进行分析， 若满足直埋海缆去保护工作的要求， 则将步骤二初步估 计射流关键参数作为准确的射流关键参数， 若不满足直埋海缆去保护工作的要求， 则调整 初步估计的射 流关键参数， 重新执 行步骤三至步骤六， 直至确定准确的射 流关键参数； 步骤八、 根据准确的射流关键参数确定射流设备参数， 包括： 水泵扬程、 射流直径、 喷嘴 安装方式、 水泵的选型， 指导 射流设备选型与参数设计。 2.根据权利要求1所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤一中， 土壤物理特性的测定中， 比重采用比重瓶法进行测定， 密度采用环刀 法 进行测定， 含水率采用烘干法进行测定， 剪切模量和体积模量使用触探仪及K0固结实验进 行测定， 摩擦角和黏聚力采用直剪实验进行测定， 临界破坏应力通过三轴压缩实验进行测 定。 3.根据权利要求2所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤二中， 射 流在土体表面半宽范围内的平均 作用力 为： 其中， v0为喷嘴出口的速度， ρ 为海水的密度， d为喷嘴出口直径， α 为喷嘴的水射流扩散 角， l0为水射流的等速核长度， L 为水射流的靶距； 大于土体的临 界破坏压力， 先依据直埋海缆去保护工作的实际施工过程选取喷嘴出 口直径d和水射流的靶距L， 则可求出喷嘴出口的速度v0的范围值， 从而初步估计出射流关 键参数： 喷 嘴出口的速度v0、 喷嘴出口直径d、 水射 流的靶距L。 4.根据权利要求3所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤三中， 建立直埋海缆射流破土模 型中， 先初步建立 1/2射流模型尺 寸， 然后采用 SOID_164实体单元， 赋予4种空材料， 将射流源(1)与水域(2)共节点， 再建立土体模型和 海 缆模型， 土体(3)与直埋海缆(4)要求共节 点， 并要求模 型尺寸能够消除边界效应影响； 在划 分网格中， 对模型进行网格划分， 在射流破坏附近地水域网格与土体网格都要进行加密处 理。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358085 A 25.根据权利要求4所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤四中， 对K文件进行修改的步骤如下： ①定义材料： 土壤材料模型中， 将步骤一得到的土壤物理特性输入到关键字*MAT_147_ FHWA_SOIL与冲蚀算法*MAT_ADD_ERODION中， 土壤单元算法采用*SECT ION_SOILD， 参数保持 默认； 直埋海缆(4)的材料模型关键字为*MAT_RIGID， 包括： 密度、 杨氏模量和泊松比， 直埋 海缆(4)的单元算法采用*SECTION_SOILD， 参数保持默认； 射流源(1)与水域(2)模型关键字 为*MAT_009_NULL， 状态方程定义为*EOS_GRUNERSEN， 水域(2)和射流源(1)单元算法* SECTION_SOILD的ELFOR设为固定值， 其余保持默认； 将上述参数赋予给模型， 并将射流源 (1)与水域(2)分别定义ALE物质， 关键 字为*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP， 采用ALE算法； ②定义边界条件： 将土体底部进行全约束， 1/2射流模型对称面法线方向限制平动， 其 他两个方向限制转动； 土体(3)及水域(2)的侧面及底端施加非反射边界条件以模拟空间无 限大区域， 关键 字为*BOUNDARY_NON_REFELE CTING； ③定义接触： 将土体(3)和直埋海缆(4)与射流源(1)和水域(2)通过关键字* CONSTRAINED_LAGRAN GE_IN_SOILD定义流固耦 合， 从面SLAV E为土体(3)和直埋海缆(4)组成 的PART， 主面MASTER为 射流源(1)和水域(2)组成的PART； ④定义载荷： 射流连续喷射表现为喷嘴出口源源不断地出现带有垂直速度地流体， 通 过设定喷射速度函数曲线和关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOT ION_SET将曲线与射流流体 的速度值关联， 即可实现连续喷射的射 流源； ⑤定义控制方程： 体积粘度*CONT ROL_BULK_VISCOSITY， 保持默认； ALE和欧拉计算设置 全局控制参数*CONTROL_ALE， 保持默认； 控制沙漏*CONTROL_HOURGLASS， 保持默认； 计算 时 间*CONTROL_TERMINATION， 时间步长*CONTROL_TIMESTEP， 输出频率*DATABASE_BINARY_ D3PLOT， 均依据直 埋海缆去保护工作的要求而定 。 6.根据权利要求1 ‑5中任意一项所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方 法， 其特征在于： 所述步骤六中， 直埋海缆去保护工作的仿真结果包括： ①提取土壤单元时 间‑位移历史数据， 绘制在射流方向上 的时间‑位移曲线以得到土壤冲蚀位移； ②测量靠近 直埋海缆(4)上方单元的最大破坏 宽度；③提取模型直埋海缆(4)单元应力与应变的历史数 据保存成模型应力应变文件， 在Xyplot中提取模型应力应变文件绘制出模型应力 ‑应变曲 线， 得到模型应力 ‑应变曲线与实际直 埋海缆应力 ‑应变曲线的对比图。 7.根据权利要求6所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤七中， 仿真结果不满足直埋海缆去保护工作的要求并需对初步估计的射流关 键参数进行调整的情况包括： ①射流方向上 的时间‑位移曲线的土壤冲蚀位移并未达到直 埋海缆(4)的埋设深度， 则需增 大喷嘴出口的速度v0或减小水射流的靶距L； ②靠近直埋海 缆(4)上方单元的最大破坏 宽度小于直埋海缆(4)的直径， 则需增大射流的喷嘴出口直径d； ③模型应力 ‑应变曲线与 实际直埋海缆应力 ‑应变曲线的对比图中， 模型中直埋海缆(4)出 现受损， 则需减小喷 嘴出口的速度v0、 水射流的靶距或喷 嘴出口直径d。 8.根据权利要求7所述的一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法， 其特征在 于： 所述步骤八中， 依据喷嘴出口的速度v0确定射流设备的水泵扬程， 依据喷嘴出口直径d 确定射流设备的喷嘴直径， 依据水射流的靶距L指导射流设备的喷嘴安装方式； 依据射流速 度和射流直径能计算出射流流量， 从而能确定水泵的流量， 指导射流设备的 水泵的选型设计。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358085 A 3