随着国内经济高速增长以及我国对现代化基础设施体系不断完善,在建和规划了一大批具有复合功能的横跨江、海、湖泊的大型桥梁,大型钢沉井因刚度高、抗震性能好、整体稳定性高等特点被广泛用于大型桥墩基础施工。由于桥墩尺寸增大,沉井的埋深和平面尺寸不断增加,给沉井的下沉施工带来新挑战。本文的主要研究对象为中高压沉井钻机,其在辅助大型沉井下沉过程中遇到的如下两个问题:钻机流道内存在多个直角弯管流道,直角弯管流道会产生局部漩涡和二次流,引起能量损耗,降低设备能量利用率;水射流在沉井底部淹没环境下速度衰减较快,有效冲击半径过小。对此,本文运用流体力学理论和CFD仿真技术对直角弯管流道和喷嘴结构进行结构选型和参数优化研究。考虑到离输入端最近的是双直角弯管流道,故从管道内流体流动阻力产生的内外因入手,对沿程压力损失和局部压力损失进行分类研究,提出改善流道压力损失的措施。通过仿真模拟,对比分析了多种类型直角弯管的流动特性,以双直角弯管流道两个直角弯管类型为因素,设计全面试验,得出双圆弧直角弯管为最优的双直角弯管流道。对双圆弧直角弯管流道进行参数优化,以进口段、连接段、出口段直径和两个圆弧直角弯管曲率半径比5个参数为影响因素,设计正交试验,由极差分析确定较好的双圆弧直角弯管流道参数。基于正交试验数据,建立回归分析预测模型和BP神经网络预测模型,经验证对比得出回归分析预测模型预测精度较高,可用于指导工程运用中的双圆弧直角弯管设计,减小压力损失。通过中高压直角弯管压力损失实验,得到双直角弯管仿真所得压力损失变化与实验结论一致,说明了直角弯管流道压力损失实验可以验证双直角弯管流道压力损失仿真研究中选择参数、建立仿真模型和设置仿真方案的合理性,以此可推断CFD数值模拟在中高压沉井钻机喷嘴和直角弯管―喷嘴仿真中的科学性和准确性。喷嘴是整个钻机的输出端,通过分析中高压喷嘴结构形式对射流集聚性和衰减型的影响,为喷嘴的选型与设计研究提供理论;其次对淹没射流结构特性和射流打击力的经验公式分析,得到射流对土层冲击最大的因素影响为喷嘴出口速度和流量,为喷嘴参数优化提供了依据。对T型、锥型、锥直型和缩扩型四类回转型喷嘴进行仿真分析,根据射流速度大小和衰减快慢优选出锥直型和锥型两种,其中锥型可以看作为长径比为0的锥直型喷嘴。以喷嘴入口直径D、喷嘴出口直径d、长径比R、收缩角α为影响因素,射流轴心距喷嘴出口一定距离处速度为指标,设计锥直型喷嘴的正交试验,得出主次关系为:d＞R＞α＞D。然后根据回归分析模型求解出中高压沉井钻机喷嘴的最佳参数。最后,将直角弯管与喷嘴组合起来并进行仿真,通过仿真分析得出喷嘴对射流速度衰减影响显著性要大于双直角弯管流道,证实直角弯管和喷嘴流道的仿真分析结论在组合模型中的适用性。