三重管法高壓噴射注漿裝置水氣同軸噴嘴CFD模擬

張 峰 李 健 鄧永鋒 呂劍虹 許傳龍 柯 瀚

(1東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(2東南大學大型發(fā)電裝備安全運行與智能測控國家工程研究中心, 南京 210096)(3東南大學交通學院, 南京 210096)(4浙江大學建筑工程學院, 杭州 310058)

隨著經濟的蓬勃發(fā)展,在人民生活水平得以大幅度提高的同時,工業(yè)化直接或間接引發(fā)的以污染土為典型的環(huán)境巖土工程問題日益嚴重. 污染場地一般分為重金屬污染場地、有機污染場地及復合污染場地[1]. 2014年中國環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》[2]表明:全國土壤總超標率為16.1%,污染類型以重金屬污染為主. 重污染企業(yè)用地、工業(yè)廢棄地、工業(yè)園區(qū)等工業(yè)污染場地超標點位30%以上,重金屬污染場地又包括單一和多種重金屬污染,國內常見重金屬污染主要有汞、銅、鋅、鉻、鎳、鈷、砷、鉛、鎘等[3-4],此類有毒化學物質能通過食物、飲用水等多種途徑直接或間接進入人體,給人類的身心健康帶來極大的危害風險,同時污染物滲漏到地基土體中,使得地基土體強度降低,引起建筑物失穩(wěn)或破壞,影響地下工程施工和運營安全[5-8]. 重金屬污染具有普遍性、潛伏性、長期性、復雜性等特點.

固化/穩(wěn)定化技術是修復重金屬污染的主要方法,該技術通過黏合劑和添加劑對目標介質中污染物的吸附、絡合和螯合等,使污染物固定在固體塊中,同時穩(wěn)定污染物的化學性質[9-10]. 而污染土與藥劑充分均勻拌和是污染場地修復有效落實的重要保障. 高壓噴射注漿裝置是常用的固化/穩(wěn)定化修復設備,三重管法噴射注漿采用低壓漿液噴射、高壓水和壓縮空氣切割土體的方式,使該方法有效作用直徑增大,混合效果明顯優(yōu)于單重管及二重管法[11]. 噴頭上的水氣同軸噴嘴是將高壓泵輸送的流體壓能最大限度地轉換成射流動能的裝置,是反映高壓注漿凝結體影響范圍的關鍵部件. 水氣同軸噴嘴同時進行高壓水噴射流和氣流噴射沖切土體,使之形成較大空隙,再由泥漿泵注入漿液填充,在土層中凝固為直徑較大的圓柱狀固結體,可對細砂層、極細砂層、黏土層等進行破壞處理. 該噴嘴具有適用場地范圍廣泛、結構簡單方便管理、漿液集中不易流失、施工方便且安全、價格低廉易加工等優(yōu)點. 同時，除射流流速大小與水氣同軸噴嘴前的壓力有關外,噴嘴的結構對射流混合均勻性的影響也較大,會導致污染土壤修復效果存在較大差異[12].

目前,水氣同軸噴嘴瞬態(tài)高壓射流流體力學特征的復雜性以及實驗測定條件的限制使得對氣環(huán)保護水射流流場分布進行系統(tǒng)性研究存在較大困難[13],國內外關于水氣同軸噴嘴在土壤介質中射流的相關研究很少. Ruiz-Rus等[14]通過實驗研究了水氣同軸噴嘴內部受氣壓變化的影響發(fā)生周期性鼓泡的現(xiàn)象. Kang等[15]利用高速攝影機對氣液旋流同軸噴嘴的低壓射流霧化過程進行了捕捉,并表征了霧滴的直徑和速度. Chen等[16]運用激光相位多普勒干涉儀對不同壓力環(huán)境下氣液同軸噴嘴的射流霧化速度場進行了分析. Ren等[17]通過耦合VOF(volume of fluid)模型和水平集模型對氣液同軸噴嘴的霧化過程進行了數(shù)值模擬,所得結果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合. 馬年[18]基于COMSOL軟件優(yōu)化了空氣介質中射流的水氣同軸噴嘴結構. 關于水氣同軸噴嘴的已有研究多是集中在噴嘴內部流動,未考慮射流空間介質對噴嘴高壓射流性能的影響. 因此,針對不同水氣同軸噴嘴在土壤介質中的射流數(shù)學模型還有待進一步改進.

本文通過計算流體動力學(CFD)方法,考慮空氣-水-污染土3相之間的曳力作用,建立流線形、收斂圓錐形和圓柱形結構的水氣同軸噴嘴在土體介質中的射流流動的數(shù)學模型,采用Eulerian多相流模型數(shù)值模擬得到不同結構水氣同軸噴嘴在土體介質中的射流方向、橫向擴散寬度及中心軸線速度場的變化規(guī)律,可為三重管法高壓噴射注漿裝置的噴嘴設計與優(yōu)化提供必要的分析方法和理論指導.

1 水氣同軸噴嘴幾何結構

噴嘴結構是影響高壓噴射注漿性能的主要因素之一. 高壓噴射注漿裝置的水氣同軸噴嘴分別由水噴嘴和環(huán)繞其周圍的氣噴嘴構成,其環(huán)狀間隙一般為1～2 mm,通常有流線形、收斂圓錐形和圓柱形3種結構形式,其幾何模型與尺寸如圖1所示. 流線形水氣同軸噴嘴中的水通道為過渡段,可使噴嘴內部高壓流體受到的內摩擦力和渦旋阻力減小,具有較好的射流聚集性,水噴嘴的入口直徑為8 mm,出口直徑為4 mm,過渡段的直徑為5 mm,環(huán)狀間隙為1 mm. 收斂圓錐形水氣同軸噴嘴沒有過渡段,水通道由入口直徑8 mm漸縮至4 mm,導管長度為36 mm,環(huán)狀間隙的距離及氣噴嘴的設置與流線形水氣同軸噴嘴的設置一致,其射流聚集性較差,一般適用于中、低壓的水射流. 圓柱形水氣同軸噴嘴的結構形式較簡單,水通道沒有過渡及漸縮段,入口直徑和出口直徑均為4 mm,導管長度也為36 mm,環(huán)狀間隙及氣噴嘴的參數(shù)設置與另外2種結構形式的噴嘴一致,同時其結構形式簡單便于制作加工.

(a) 流線形

2 土體介質高壓射流數(shù)學模型

水氣同軸噴嘴在土體介質中的高壓射流主要

包括噴嘴內部通道高壓液體由壓力能轉化為動能瞬間噴射劇烈湍動的過程,以及噴射出的流體受土體介質阻力卷吸的過程. 土體介質高壓噴射過程中的氣液固3相為相互獨立的連續(xù)性介質,每一個相變過程可用質量守恒方程、動量守恒方程描述. 同時,噴射過程中的氣體和液體會卷吸土體導致射流速度衰減,因此3相之間的相互作用與影響可耦合曳力模型,用相間動量交換方程進行描述. 由于水氣同軸噴嘴的高壓射流是強烈湍流變化過程,RNGk-ε模型適用于二次流等相對復雜的流場分析,并且考慮了流場中的小尺度運動,進一步提高了求解結果的準確性,因此選擇RNGk-ε湍動模型描述高壓射流的高湍流過程.

2.1 質量守恒方程

水氣同軸噴嘴在土壤介質高壓射流過程中的氣相、液相和固相被當作3個獨立的相. 氣相、液相和固相為互相滲透的連續(xù)性介質,3相的流動過程遵循質量守恒方程,在計算單元內,3相壓力與其相含率成正比[19-20]. 3相的質量守恒方程為

(1)

εl+εg+εs=1

(2)

式中,εn為流體中n相的體積分數(shù),下標n=l, g, s分別表示液相、氣相和固相;t為時間,s;ρn表示n相的密度,kg/m3; ?為哈密頓算子;un表示n相的速度矢量,m/s.

2.2 動量守恒方程

水氣同軸噴嘴在土壤介質中的高壓射流過程遵循動量守恒定律,即液相和氣相的動量隨時間的變化率與噴射過程中所受的壓力、應力、重力及相間交換作用力相等,固相動量隨時間的變化率與高壓噴射過程所受的壓力、應力、重力、顆粒間碰撞引起的附加力及相間作用力相等.建立的氣液固3相的動量守恒方程如下所示.

液相動量守恒方程

?(εlμeff,l(?ul+(?ul)T))+ρlεlg+Mi,l

(3)

氣相動量守恒方程

?(εgμeff,g(?ug+(?ug)T))+ρgεgg-Mi,g

(4)

固相動量守恒方程

?ps+?(εsμeff,s(?us+(?us)T))+ρsεsg-Mi,s

(5)

式中,p為壓力,Pa;ps為顆粒碰撞的附加固相壓力,Pa;g為重力加速度, m/s2;μeff,l、μeff,g、μeff,s分別為液相、氣相和固相的有效黏度, Pa·s;Mi,l、Mi,g、Mi,s分別表示氣液固3相間的作用力,N.式(3)和式(4)兩等式的右邊各項分別表示壓力梯度、應力、重力和相間動量交換作用力.式(5)等式右邊分別為固相壓力梯度、顆粒碰撞的附加固相壓力、固相應力、固相重力和相間作用力.

2.3 相間動量交換方程

土壤介質中的高壓噴射過程存在液相、氣相及固相3相間的動量交換,將液相當作連續(xù)相,氣相和固相作為分散相.考慮2相間的曳力模型,包括液相和氣相之間、液相和固相之間以及氣相和固相之間的曳力作用[21].2相間的曳力模型如下.

FD,gl=KD,gl(ug-ul)

(6)

式中,FD,gl為氣液2相間的作用力,N;KD,gl為氣液2相間動量交換系數(shù).

(7)

式中,db為氣泡尺寸,μm;CD,gl為無量綱的氣液2相間的曳力系數(shù),可由Tsuchiya模型[22]得到,即

(8)

(9)

(10)

式中,Re1為氣液2相流動雷諾數(shù);μl為液體黏度, Pa·s;Eo為愛特威數(shù);σ為液體表面張力系數(shù).

液固2相間曳力模型

(11)

式中,FD,ls為液固2相間的作用力,N;dp表示顆粒尺寸,μm;CD,ls表示液固2相間的曳力系數(shù),可由Gidaspow模型[23]得到,即

(12)

式中,CD為曳力系數(shù).

TCL集團在公告中表示，此次交易有助于上市公司解決多元化經營下業(yè)務眾多、資源投入分散、行業(yè)發(fā)展階段和周期不均衡、股東回報影響要素繁雜的現(xiàn)狀。

氣固2相間曳力模型

(13)

式中,FD,gs為氣固2相間的作用力,N;CD,gs表示氣固2相間的曳力系數(shù), 可由Schiller-Naumann模型[24]得到,即

(14)

(15)

式中,Re2表示氣固2相流動雷諾數(shù);μg表示氣體黏度, Pa·s.

2.4 氣液固3相湍動模型

土壤介質中的高壓射流流場為高湍流狀態(tài),RNGk-ε模型通過變化生成項來考慮各個尺度的運動,可以較好地描述高壓射流的湍動過程[25],計算公式可表示為

(16)

(17)

式中,ρ表示密度,kg/m3;u表示速度矢量,m/s;μeff表示液體有效黏度,Pa·s;k為湍流脈動動能, J;ε為湍流能量耗散率;Gk為由層流速度梯度而產生的湍動能項;Gb為由浮力產生的湍動能項;YM為在可壓縮流動中,湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項;αk、αε與Prandtl數(shù)是反比例關系；Sk和Sε為自定義的湍動能項和湍流耗散源項;C1ε、C2ε、C3ε為常量,分別為1.42、1.68和0;Rε為模型參數(shù).

3 數(shù)值模擬

3.1 計算流域及邊界條件設置

流線形、收斂圓錐形和圓柱形結構的水氣同軸噴嘴模擬用的計算流域包括水通道區(qū)域、氣通道區(qū)域以及土體區(qū)域,同時在模擬計算之前需對計算流域的初始狀態(tài)進行定義,水通道及氣通道初始定義充滿空氣,土體區(qū)域初始定義為300 mm×120 mm固相土壤介質. 水氣同軸噴嘴在土壤介質中的高壓射流存在復雜的氣液固3相流動,具有劇烈的能量交換與紊動擴散,因此采用Eulerian多相流模型. 模擬采用基于壓力的瞬態(tài)計算,以水、空氣和土壤為模擬介質. 氣相進口為壓力入口,入口壓力為0.7 MPa；液相進口為壓力入口,入口壓力為20 MPa；土壤介質空間為壓力出口. 壓力的松弛因子為0.3,動量的松弛因子為0.7,其他設置保持默認. 瞬態(tài)計算的時間步長為1×10-7s,總的模擬時間約為0.02 s. 取水的密度為998.2 kg/m3,空氣的密度為1.29 kg/m3；取土壤的密度為2 500 kg/m3,黏度為10 Pa·s,粒徑為50 μm.

3.2 網格無關性驗證

網格劃分是數(shù)值模擬的核心部分,網格的劃分質量會直接影響到模擬結果的準確性,網格尺寸過大會引起模擬結果震蕩不收斂,網格尺寸過小會對計算機的硬件及內存提出更高要求,并且會延長計算時間. 采用ICEM用切塊分區(qū)的方法把水氣同軸噴嘴射流計算流域分成不同的區(qū)域,不同區(qū)域采用結構化網格劃分方式,劃分后的流體域網格如圖2所示. 為了考慮不同的網格數(shù)對模擬結果的影響,將計算域的網格數(shù)分別劃分為54 540、140 200、255 859.當水噴嘴入口壓力為20 MPa、氣噴嘴的入口壓力為0.7 MPa時,3種網格數(shù)下的30 mm橫向位置液相速度模擬結果如圖3所示,其速度曲線隨著橫向位置的變化基本一致. 因此,本文采用的模擬網格數(shù)為54 540.

圖2 水氣同軸噴嘴計算流域網格劃分圖

圖3 不同網格數(shù)下的速度變化圖

3.3 模型驗證

為了驗證所選模型的準確性,考慮高壓射流的液相介質水為牛頓型流體,因此可將伯努利方程與流體連續(xù)性方程聯(lián)立求得水噴嘴出口速度的理論值,并將噴嘴出口處的速度模擬值與理論值進行對比來驗證所選取模型的準確性.

伯努利方程

(18)

式中,p1、p2分別為流體微團在位置1和位置2處的壓強, Pa;v1、v2分別為流體微團在位置1和位置2處的速度, m/s;h1、h2分別為流體微團在位置1和位置2處的高度,m.

流體連續(xù)性方程

Q=v1A1=v2A2

(19)

式中,Q為流體流量, m3/s;A1、A2分別為流體微團通過位置1和位置2處的橫截面積,m2.

噴嘴出口速度

(20)

當水噴嘴的入口壓力為20 MPa時,依據(jù)式(20)計算所得的速度理論值為 199.9 m/s,數(shù)值模擬后處理所得的速度值為 199.7 m/s,模擬值與理論值吻合較好,所選計算模型準確可靠.

4 模擬結果與討論

4.1 射流方向

現(xiàn)場施工過程中通常將污染土破碎成小顆粒后再與藥劑漿液均勻混合,因此水氣同軸噴嘴高壓射流切削土壤的效果直接影響三重管法高壓噴射注漿性能. 氣噴嘴在高壓水射流周圍形成空氣流保護環(huán),使得高壓射流流體所受的阻力減小,增大其切削土體的能力. 通過后處理分別提取了3種結構水氣同軸噴嘴高壓射流過程中不同時刻的氣相體積分率分布規(guī)律,如圖4所示. 由圖可知,3種結構的水氣同軸噴嘴在射流的初期階段,氣相體積分率的分布基本一致；但隨著射流時間發(fā)展及距離的增加,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的氣相體積分率分布發(fā)生較大偏差,氣環(huán)不能較好地包覆高壓水射流；而流線形水氣同軸噴嘴在高壓射流的主要區(qū)域,氣相體積分率分布較均勻,氣環(huán)可以起到保護高壓水射流的作用. 同時,高壓水射流的方向若發(fā)生上下偏移也會影響污染土的切削均勻性. 通過后處理提取了如圖5所示的3種結構水氣同軸噴嘴高壓射流過程中不同時刻的液相體積分率分布規(guī)律. 由圖可知,流線形水氣同軸噴嘴的高壓射流方向在初期區(qū)域、遷移區(qū)域及主要區(qū)域基本沒有發(fā)生偏移,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的射流方向偏移較大.

圖4 不同結構水氣同軸噴嘴射流氣相體積分率時序圖

圖5 不同結構水氣同軸噴嘴射流液相體積分率時序圖

4.2 橫向擴散寬度

水氣同軸噴嘴高壓射流的橫向擴散寬度是影響切削土體均勻性的重要參數(shù). 射流橫向擴散寬度在射流速度范圍相同的前提下,其寬度越大表示射流在該截面的影響范圍越大,切削土體的效果越好. 通過后處理分別提取了30、110、190、270 mm截面處液相的速度分布,3種結構水氣同軸噴嘴在不同截面的速度分布規(guī)律見圖6. 3種結構水氣同軸噴嘴的射流橫向擴散寬度在30 mm截面處的對稱性基本一致,但隨著射流距離的增加,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的射流橫向擴散寬度在110、190、270 mm截面處出現(xiàn)不同程度波動,對稱性較差,而流線形水氣同軸噴嘴依然保持較好的對稱性,且具有較高的速度峰值.隨射流距離的增加,流線形水氣同軸噴嘴相對于其他2種結構的噴嘴,依然保持較好的射流橫向擴散寬度,可進一步提升切削土體的能力.

4.3 中心軸線速度

中心軸線速度反映了水氣同軸噴嘴高壓射流的穩(wěn)定性和集束性. 3種結構的水氣同軸噴嘴的中心軸線液相速度場分布如圖7所示. 高壓噴嘴是將流體的壓力能轉換為動能,單一的水噴嘴噴射的流體受到土壤環(huán)境的阻力,存在速度衰減較快的問題. 水噴嘴的周圍添加氣噴嘴后,氣環(huán)的保護有效減小了流體所受的阻力,使得高壓流體的噴射距離與切削范圍明顯增大.由圖7可知,在射流初期,3種結構水氣同軸噴嘴中心軸線速度的變化趨勢基本一致,但隨著射流距離的增加,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的中心軸線速度衰減較快,而流線形水氣同軸噴嘴的中心軸線速度衰減緩慢,依然保持較高的射流沖擊能量,可保證較好的注漿直徑和均勻性.

圖7 不同結構水氣同軸噴嘴射流中心軸線速度場分布圖

5 結論

1) 基于CFD方法,耦合氣液固3相之間的曳力模型,可以準確地模擬高壓流體在土體介質中的射流過程.

2) 3種結構水氣同軸噴嘴的液相在射流2、5、8 ms時均保持較好的射流方向,氣環(huán)能夠起到包覆保護高壓水射流的作用.隨著射流時間的增加,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的射流方向發(fā)生偏移, 流線形水氣同軸噴嘴高壓射流的方向未發(fā)生偏移.

3) 隨著射流距離的增加,收斂圓錐形和圓柱形水氣同軸噴嘴的射流橫向擴散寬度在110、190、270 mm截面處出現(xiàn)不同程度波動,而流線形水氣同軸噴嘴能夠保持較好的對稱性.

4) 流線形水氣同軸噴嘴的中心軸線速度衰減最慢,具有較好的射流集束性和穩(wěn)定性.