基于CFD的泥水盾構(gòu)氣墊倉沖刷系統(tǒng)流場特性研究

趙合全

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市軌道交通，市政管路，過江過河隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增大，盾構(gòu)施工的應(yīng)用越來越廣泛[1，2]。泥水盾構(gòu)作為盾構(gòu)機(jī)的一種，以其良好的地層適應(yīng)性，廣泛用于過江過河隧道的施工[3，4]。其工作原理是將泥漿泵送至開挖倉以平衡水土壓力，然后通過泥漿把開挖下來的渣土輸運(yùn)至地面進(jìn)行分離。但是泥漿攜帶渣土由開挖倉進(jìn)入氣墊倉后，渣土容易在氣墊倉內(nèi)沉降堆積，導(dǎo)致氣墊倉堵塞，施工被迫停止。為預(yù)防這種問題，泥水盾構(gòu)設(shè)計(jì)時會在氣墊倉內(nèi)配置有沖刷管路，通過沖刷管路來增強(qiáng)氣墊倉內(nèi)流場的流動性能。研究泥水盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)對氣墊流場性能的影響有利于高效施工。

泥水盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)屬于淹沒射流技術(shù)的應(yīng)用，在該領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者開展過許多研究。郭文思等人[5]利用大渦模擬淹沒射流紊動流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了淹沒射流的瞬態(tài)流場，分析了淹沒射流流場演化過程。Zhang K等[6]利用CFD技術(shù)研究了噴射制冷系統(tǒng)中噴射器噴嘴位置對噴射器性能的影響，并得到了給定條件下最佳噴嘴位置。Xu E等人[7]通過CFD數(shù)值模擬研究了文丘里噴射器噴嘴結(jié)構(gòu)，對氣流誘導(dǎo)的影響，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了仿真模型的正確性并給出了推薦的操作參數(shù)和收斂角。程巍等人[8]模擬了淹沒環(huán)境下水射流清洗地浸采鈾生產(chǎn)井的過程對比了空氣和水中水射流狀態(tài)，探討水深、出口壓力、靶距以及沖擊角對淹沒射流的影響。陳欣欣等人[9]使用Fluent研究了不同沖擊角度射流流場結(jié)構(gòu)和速度分布的影響。但是目前很少有針對泥水盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)的相關(guān)研究。本文參照上述學(xué)者的研究方式，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對氣墊倉沖刷系統(tǒng)的流場特性開展研究，幫助施工人員深入了解氣墊倉沖刷系統(tǒng)的流場特性，科學(xué)高效地利用泥水盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

根據(jù)某工程所用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的圖紙，提取氣墊倉內(nèi)的主要沖刷管路和氣墊倉的主要形狀特征并建立了簡化的氣墊倉沖刷模型如圖1所示；圖1中的V代表的是控制沖刷管路的閥門，施工過程中通過控制各個閥的開閉來控制沖刷管理是否關(guān)閉，因此本文中以各個閥的名稱來命名各個管路。施工過程中總的泥水循環(huán)流量由兩部分進(jìn)入氣墊倉，一部分通過各沖

刷管路進(jìn)入氣墊倉，另一部分通過先進(jìn)入開挖倉然后由圖1中的進(jìn)漿口進(jìn)入氣墊倉。

圖1 氣墊倉沖刷模型

1.2 控制方程

CFD數(shù)值模擬的本質(zhì)是根據(jù)邊界條件求解質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[10]，這些控制方程如下。

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

式中，ρ是密度，v速度；Sm源項(xiàng)；p靜壓；壓力張量；ρg重力體積力；F外部體積力；μ分子黏性；I單位張量。

1.3 網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置

對氣墊倉三維模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，設(shè)置全局最大網(wǎng)格尺寸為100 mm，各管路上最大網(wǎng)格尺寸為其直徑的1/5；劃分完成后總共2 620 037個單元。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置邊界條件為速度入口，壓力出口，壁面條件為無滑滑移壁面，重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向、值為9.8 m/s2，選擇standard k-epsilon湍流模型，SIMPLE求解算法進(jìn)行求解。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 流量對氣墊倉流場的影響

現(xiàn)場施工過程中由于氣墊倉底部泥團(tuán)堆積堵塞問題嚴(yán)重，采取增大環(huán)流系統(tǒng)的流量嘗試以增加氣墊倉內(nèi)泥漿的流速來解決氣墊倉堵倉問題。為探究增大流量的實(shí)際效果，對總流量為2 000 m3/h，2 500 m3/h，3 000 m3/h，3 500 m3/h時的氣墊倉流場進(jìn)行仿真研究。依據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)如圖2所示，設(shè)置沖刷管路的流量占總流量的1/3，其他流量從氣墊倉進(jìn)漿口進(jìn)入，工作時管路V3/V4以及管路V7關(guān)閉，管路V45，V25/26以及V5開啟，各入口為速度入口，管路的流量根據(jù)在分支處各分支管路的面積比分配，出口邊界設(shè)置為壓力出口。

提取氣墊倉中間平面的速度云圖，如圖2所示。從圖2可以看出受V45沖刷管路的影響在靠近矩形進(jìn)漿口的流體速度明顯大于周圍流體速度。圖2中的標(biāo)記區(qū)域雖然V25/26沖刷管路的沖刷范圍內(nèi)，但是其速度仍然較小，這是由于V25/26沖刷管路出口分支眾多單個出口的流體流速較小，并且自噴嘴射出的射流不斷與氣墊倉內(nèi)的低速流體發(fā)生動量交換，卷吸帶動氣墊倉內(nèi)的低速流體運(yùn)動，最終在射流在到達(dá)中間平面時的速度較小。較小的速度可能使得渣土在此處堆積，最終堵塞氣墊倉。增大泥水循環(huán)流量能夠增大V25/26沖刷管路的射流流速，從而明顯增大標(biāo)記區(qū)域的流速。另外可以看出在氣墊倉中間平面，隨著總流量的增加，氣墊倉內(nèi)的流速總體上也隨之增加，氣墊倉上端空間的低速區(qū)明顯減??；說明增大流量能夠較好地增強(qiáng)氣墊倉內(nèi)泥漿的流動性能。

圖2 不同流量下氣墊倉中間平面速度分布

提取各流量下氣墊倉內(nèi)的平均流速，繪制氣墊倉內(nèi)平均流速與流量的關(guān)系圖，如圖3所示。由圖3可知?dú)鈮|倉內(nèi)泥漿的平均速度隨著泥水循環(huán)總流量的增大而增大，并且速度增量隨著流量的增加也有著輕微的增長，入口流量從2 000 m3/h增加至3 500 m3/h的過程中，氣墊倉內(nèi)泥漿平均速度提高了82.67%。

圖3 氣墊倉內(nèi)平均速度與流量關(guān)系圖

將氣墊倉內(nèi)的流體速度劃分 （0，0.1]，（0.1，0.2]，（0.2，0.3]，（0.3，0.4]，（0.4，0.5]，（0.5，0.6]，（0.6，0.8]，（0.8，1]，（1，1.2]，（1.2，1.4]十個速度區(qū)間，編寫UDF程序提取各流量下，氣墊倉內(nèi)各速度區(qū)間內(nèi)的流體體積并繪制各速度區(qū)間內(nèi)流體體積與流量關(guān)系圖，如圖4所示。

由圖4a可知當(dāng)流量從2 000 m3/h提升至2 500 m3/h時，氣墊倉內(nèi)[0，0.1]速度區(qū)間內(nèi)的流體體積減少了55%，速度區(qū)間（0.1，0.2]內(nèi)的流體體積有著明顯的增加，增加了123.6%；（0.2，0.3]速度區(qū)間內(nèi)的流體體積有輕微的增加；而其他速度區(qū)間內(nèi)的流體體積隨著流量的增長其增幅逐漸降低。（0.3，1.4]各速度區(qū)間內(nèi)流體體積占比增加了44.5%，流量從2 500 m3/h增長至3 000 m3/h流體體積增幅為32.4%。由圖4b可知，Y向速度（與重力方向相反）隨著流量的增加有著一定幅度的增加但是增量隨著流量的增大而有所減小。當(dāng)流量從2 000 m3/h增長至2 500 m3/h時（0.1，1.4]各速度區(qū)間內(nèi)流體體積增幅為49.1%，當(dāng)流量從2 500 m3/h增長至3 000 m3/h時增幅為36.1%，當(dāng)流量從3 000 m3/h增長至3 500 m3/h時增幅為26.4%。而Y向速度的增大意味著帶動泥團(tuán)向上運(yùn)動的能力增強(qiáng)。由圖4c可知隨著流量的增加，Z向速度（由進(jìn)漿口流向出漿口）的[-0.2，-0.1）低速區(qū)間內(nèi)的流體減少，高速區(qū)內(nèi)流體增多，Z向速度的增大意味著泥漿能快速通過氣墊倉則泥漿內(nèi)黏土的沉降時間會隨之減少；Z向速度在[-0.3，-0.2）這個范圍的流體體積隨著流量的增加先增多后減少，Z向速度在[-0.5，-0.3）范圍內(nèi)的流體隨著流量的增大而增多并且增長趨勢趨于平坦，Z向速度在[-1.4，-0.5）速度區(qū)間內(nèi)的流體在流量增長至3 000 m3/h的增量基本可以忽略不計(jì)，在流量增加至3 500 m3/h時才略有增多。

圖4 流體體積與流量關(guān)系圖

以上現(xiàn)象說明，增大流量能夠大氣墊倉內(nèi)的流體流速，總體上氣墊倉內(nèi)流體的速度增加使得低速流體減少，高速流體增多。流場在Y方向?qū)τ谠恋奶嵘芰?，在Z方向?qū)τ谠恋倪\(yùn)輸能力均有所提升，這對于解決開挖倉泥團(tuán)淤積問題有一定的效果；但是隨著流量的增加，其提升效果逐漸減弱從圖4可以看出當(dāng)流量為2 750 m3/與3 000 m3/h時氣墊倉內(nèi)的速度差距并不大，流量為3 000 m3/h時（0.1，1.4]各速度區(qū)間內(nèi)的流體平均僅為流量為2 500 m3/h時的1.13倍。

2.2 現(xiàn)有沖刷方案優(yōu)化

現(xiàn)場施工過程中為解決氣墊艙黏土淤積問題，采用了增大流量的方法，采用該方法后能一定程度緩解黏土淤積問題，這與仿真的分析一致。但是根據(jù)前文的研究結(jié)果增大流量的提升效果逐漸減弱，此外過高的流速會導(dǎo)致排漿管路的磨損加劇。為提升氣墊倉流場流動性能解決黏土淤積問題，結(jié)合前文的仿真結(jié)果嘗試從不增加流量，更改沖刷方式的角度出發(fā)，在原沖刷方案的基礎(chǔ)上提出了4種沖刷方案以求改善氣墊倉內(nèi)的流動特性。

原沖刷方案為關(guān)閉V3/4，V7沖刷管路，開啟V5，V25/26，V45沖刷管路；泥水循環(huán)流量為3 000 m3/h。在原沖刷方案的基礎(chǔ)上提出如下方案：

方案1：考慮到?jīng)_刷管路V5用作對攪拌器的沖刷且方向朝下抑制了底部沖刷管路引起的向上流動，故嘗試減少V5管路的工作時間；

方案2：考慮到管路V3在正常工作時處于關(guān)閉狀態(tài)，故嘗試將V3開啟以增加從管路進(jìn)入氣墊倉的流量；

方案3：同時采用上述兩個方案；

方案4：在方案3的基礎(chǔ)上嘗試關(guān)閉閥門V45使得更多的流量進(jìn)入底部沖刷管路V25/V26以增強(qiáng)其沖刷性能。

利用前文的仿真模型對各沖刷方案進(jìn)行仿真，圖5為各方案中氣墊倉內(nèi)平均速度大小；從圖5可以看出四種方案的開挖倉內(nèi)的平均速度均大于原方案，表明在上述方案均能改善泥水倉內(nèi)流場的流動性能。這4個方案中方案2的平均速度最低，但是較原方案的平均速度也提升了23.1%，方案4平均速度最高較原方案提升了53.6%。而如果使用前文增加流量的方式將入口流量從3 000 m3/h，增加至3 500 m3/h；其氣墊倉內(nèi)的平均值為0.271 4 m/s，僅比原方案增加了20.2%，其對氣墊倉內(nèi)的流場的流動性能的提升效果明顯小于現(xiàn)在提出的這四種沖刷方案對流場流動性能的提升效果。故在流量增大到一定程度的情況下，可考慮改變沖刷方案進(jìn)一步提升氣墊倉內(nèi)流體的流動性能。

圖5 各方案下氣墊倉內(nèi)的平均流速

3 結(jié)語

本文建立了泥水盾構(gòu)氣墊倉沖刷系統(tǒng)的仿真模型，利用仿真模型研究了泥水循環(huán)流量和沖刷方案對氣墊倉流場性能的影響。得出以下結(jié)論：

（1）自沖刷管路出來的射流與氣墊倉內(nèi)的低速流體發(fā)生動量交換，速度會不斷降低?？赏ㄟ^增大流量的方式增大其流速，從而改善氣墊倉內(nèi)的流場流動性能。

（2）泥水循環(huán)流量不能無限增大，在泥水循環(huán)流量增大到一定程度時，可通過改變沖刷方案，使得更多的流量從特定的沖刷管路流出以改善氣墊倉內(nèi)的流場性能。本文所研究泥水盾構(gòu)的氣墊倉沖刷系統(tǒng)，可采用方案4的沖刷方式來大幅提升流場流動性能。