氣液兩相旋噴射流流場(chǎng)特征及其影響因素研究

鄭金貴

摘要：

為揭示不同因素對(duì)帶氣環(huán)旋噴射流流動(dòng)特征的影響規(guī)律，基于Mixture多相流模型和RNG k-ε湍流方程，對(duì)不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵工作參數(shù)工況下氣液兩相旋噴射流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了射流軸心速度及射流沖擊靶體作用壓力的分布特征。結(jié)果表明：當(dāng)噴嘴出口直徑為2.5 mm、收斂角為20°時(shí)，射流收斂性好且速度衰減慢，對(duì)靶體沖擊作用壓力最大，射流壓力30 MPa時(shí)在0.6 m處沖擊靶體壓力達(dá)到最大值（27 MPa）。射流軸心速度與沖擊靶體作用壓力均隨射流壓力的增加而增加，但射流壓力過(guò)大時(shí)射流發(fā)展后期波動(dòng)劇烈；高速氣環(huán)能抑制射流能量衰減，使射流核心段長(zhǎng)度隨氣體速度增大而增加，但氣體速度過(guò)大時(shí)射流沖擊性能提升反而不明顯。研究結(jié)果可為旋噴作業(yè)的噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)選取提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

旋噴射流； 氣液兩相射流； 淹沒(méi)環(huán)境； 流動(dòng)特征； 軸心速度

中圖法分類號(hào)： TU4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.025

0 引 言

隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，高壓旋噴技術(shù)已在地下巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如軟地基旋噴樁加固處理以提高地基承載力［1-3］、隧道旋噴樁超前支護(hù)以改善掌子面開(kāi)挖穩(wěn)定性等［4-5］。高壓旋噴射流技術(shù)的原理是通過(guò)噴嘴噴出高速射流以切割破碎巖土體，然后水泥漿液與破碎的土體相混合，隨后固化形成強(qiáng)度較高的樁體，即旋噴樁［6-7］。根據(jù)旋噴樁施工過(guò)程中流體的不同，高壓旋噴工法可分為單管法（噴射水泥漿）、二重管法（噴射壓縮空氣+水泥漿）和三重管法（噴射水+壓縮空氣+水泥漿）［2］，其中二重管法和三重管法中壓縮空氣包裹在高速水泥漿外圍，有效降低了水泥漿的能量衰減，極大改善了切割效果，形成的旋噴樁直徑可達(dá)2 m以上［8］。因此，開(kāi)展帶氣環(huán)旋噴射流的流動(dòng)特征及其影響因素研究對(duì)提高旋噴射流切割效果具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋噴射流的流動(dòng)特征和噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化等開(kāi)展了較多研究。如郭亮等［8］對(duì)比了空氣和水下環(huán)境中不帶氣環(huán)射流和帶氣環(huán)射流的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和密度場(chǎng)的分布特征，發(fā)現(xiàn)帶氣環(huán)高速射流能量集中且衰減慢；李猛等［9］采用數(shù)值模擬方法對(duì)淹沒(méi)環(huán)境下高壓?jiǎn)蜗嗌淞鞯膰娮旖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得最優(yōu)噴嘴為出口直徑2.8 mm、收斂角12.3°的錐形噴嘴；劉霄亮等［10］研究了淹沒(méi)狀態(tài)下環(huán)境壓力、射流壓力和噴嘴直徑對(duì)射流速度、動(dòng)壓等流動(dòng)特征的影響規(guī)律；Liu等［11］分析了不同邊界條件和初始條件下射流軸心速度的衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)初始段內(nèi)射流速度衰減較快；Yang等［12］采用Fluent軟件對(duì)比了圓柱形噴嘴、錐形噴嘴和錐直形噴嘴的軸心速度、動(dòng)壓和靶體靜壓的分布差異，認(rèn)為錐形噴嘴的性能更佳，并進(jìn)一步探討了出口直徑、收斂角、噴嘴長(zhǎng)度、入口壓力和靶距對(duì)沖擊射流流場(chǎng)的影響。

然而，現(xiàn)有關(guān)于旋噴射流流動(dòng)特征及其影響的研究主要集中在單相液體射流，對(duì)帶氣環(huán)高速射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其影響規(guī)律認(rèn)識(shí)還不充分，且單相射流噴嘴的優(yōu)化結(jié)構(gòu)未必適用于氣液兩相射流噴嘴。因此，本文擬采用Mixture多相流模型和RNG k-ε湍流方程，模擬淹沒(méi)環(huán)境下帶氣環(huán)高速射流流動(dòng)，探討噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵工作參數(shù)對(duì)射流速度分布及衰減規(guī)律、沖擊作用于靶體的壓力分布等流動(dòng)特征的影響，以期為二重（三重）管法旋噴射流噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝參數(shù)選取提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何模型及邊界條件

基于射流的對(duì)稱性，本次數(shù)值模擬按軸對(duì)稱問(wèn)題進(jìn)行分析，利用ICEM CFD軟件進(jìn)行幾何建模及網(wǎng)格劃分。1/2軸對(duì)稱計(jì)算模型如圖1所示，由于錐形噴嘴產(chǎn)生的射流具有很好的收斂性，且射流能力衰減慢［8-9］，故旋噴射流噴嘴采用錐形噴嘴，氣體噴嘴為圓柱形噴嘴。氣體噴嘴直徑為1 mm，與射流噴嘴平行布置，噴嘴壁間距為1 mm；射流噴嘴入口直徑為6 mm，出口直徑1.0～3.0 mm，收斂角5°～25°；噴嘴外流場(chǎng)尺寸為1 000 mm×30 mm（長(zhǎng)×寬）。模型邊界條件設(shè)置如下：射流噴嘴入口為壓力入口，數(shù)值設(shè)定為10～50 MPa；氣體噴嘴入口為速度入口，數(shù)值設(shè)定為25～150 m/s；外流場(chǎng)上邊界為壓力出口，模擬20 m深旋噴樁作業(yè)淹沒(méi)環(huán)境，即環(huán)境壓力0.3 MPa；左右兩側(cè)邊界為無(wú)滑移壁面，其中右側(cè)壁面模擬土體。

基于Fluent軟件，上述控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散求解，求解器為基于壓力的求解器，并采用SIMPLEC方法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算，離散格式為二階迎風(fēng)格式。

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為避免網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)比了3種網(wǎng)格尺寸模型的計(jì)算結(jié)果。如圖1所示，對(duì)射流噴嘴和氣體噴嘴所包含的內(nèi)部計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理，用“細(xì)化網(wǎng)格尺寸+外部網(wǎng)格尺寸”表示，分別對(duì)比了“0.1 mm+0.2 mm”、“0.2 mm+0.5 mm”和“0.2 mm+1.0 mm”3種網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果。射流入口壓力為30 MPa，氣體入口速度為100 m/s，淹沒(méi)環(huán)境壓力為0.3 MPa，3種工況下射流軸心速度和靶體作用壓力分布如圖2所示。3種尺寸網(wǎng)格的射流軸心速度在初始段內(nèi)幾乎無(wú)差別，但在速度衰減段內(nèi)“0.2 mm+1.0 mm”尺寸網(wǎng)格的射流軸心速度衰減程度與更小尺寸網(wǎng)格的射流相差較大，且在靶體沖擊中心區(qū)域的壓力分布也存在顯著差異，而“0.1 mm+0.2 mm”和“0.2 mm+0.5 mm”尺寸網(wǎng)格的射流軸心速度和靶體壓力分布之間波動(dòng)較小，表明“0.2 mm+0.5 mm”尺寸網(wǎng)格已經(jīng)能達(dá)到該計(jì)算模型的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。為求準(zhǔn)確，本文采用“0.1 mm+0.5 mm”的網(wǎng)格尺寸，且外部網(wǎng)格尺寸由密到稀進(jìn)行處理。

1.4 數(shù)值模擬方案

基于傳統(tǒng)射流沖擊性能的相關(guān)研究結(jié)果可知，噴嘴結(jié)構(gòu)影響射流收斂程度以及射流能量衰減程度，而工作參數(shù)決定著射流沖擊能量以及抵抗環(huán)境干擾的能力［12］。因此，選取射流噴嘴主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工作參數(shù)作為研究對(duì)象，其中噴嘴結(jié)構(gòu)包括出口直徑和收斂角，工作參數(shù)包括射流壓力和氣體速度，各因素取值見(jiàn)表1。

2 模擬結(jié)果及分析

由1.3節(jié)網(wǎng)格獨(dú)立性分析可知，雖然高速氣環(huán)能有效降低射流能量的衰減，但當(dāng)射流作用距離超出一定范圍后，由于淹沒(méi)環(huán)境介質(zhì)的阻擾作用，射流能量會(huì)出現(xiàn)顯著衰減，如圖2所示，射流軸心速度在約0.4 m處開(kāi)始快速降低。此外，由于氣環(huán)對(duì)旋噴射流發(fā)散具有抑制作用，射流沖擊能量主要集中在軸心區(qū)域。因此，為更好研究有效靶距內(nèi)射流對(duì)靶體的沖擊能力，同時(shí)提高計(jì)算速度，在后續(xù)研究中將外流場(chǎng)計(jì)算域尺寸設(shè)置為600 mm×20 mm（長(zhǎng)×寬）。

2.1 射流噴嘴結(jié)構(gòu)影響

2.1.1 噴嘴出口直徑影響

不同噴嘴出口直徑的旋噴射流軸心速度隨靶距的變化曲線如圖3所示。在射流噴嘴內(nèi)部，射流速度較低，以靜壓力為主；射流從噴嘴噴出后，射流能量由壓差勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，具有較高的沖擊速度，入口壓力30 MPa時(shí)噴嘴出口處射流軸心速度為243 m/s。由于高速氣環(huán)對(duì)射流的“屏蔽”作用，射流在較長(zhǎng)距離（即射流核心段）內(nèi)能均保持出口速度，且核心段長(zhǎng)度隨噴嘴出口直徑的增大而增加，2.5 mm噴嘴核心段長(zhǎng)度達(dá)0.54 m，相比1.0 mm噴嘴提高了145%，但當(dāng)噴嘴出口直徑進(jìn)一步增大時(shí)，射流核心段長(zhǎng)度不再增加。在射流核心段外，射流速度逐漸降低，在0.6 m時(shí)沖擊到靶體，射流沖擊作用靶體的壓力分布如圖4所示。由圖4可知，沖擊中心處壓力最高，且隨噴嘴出口直徑的增大呈先增加后降低趨勢(shì)，在2.5 mm時(shí)達(dá)到最大27 MPa。射流對(duì)靶體的沖擊作用范圍隨噴嘴出口直徑的增大逐漸增加，但總體上射流作用范圍較小，如沖擊范圍從直徑1.0 mm噴嘴的3.0 mm增加到直徑3.0 mm噴嘴的7.2 mm。從射流軸心速度和對(duì)靶體作用壓力與噴嘴出口直徑的關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)氣環(huán)能量一定時(shí)，適當(dāng)增大噴嘴出口直徑能提高射流有效作用距離和范圍，但過(guò)度增大噴嘴直徑對(duì)提高核心段長(zhǎng)度效果不佳。此外，噴嘴出口直徑越大，相同入口壓力下射流流量越大，對(duì)高壓泵組的性能要求也越高［21］。綜上所述，在本文條件下，為提高帶氣環(huán)旋噴射流切割土體效果應(yīng)采用2.5 mm的噴嘴出口直徑。

2.1.2 噴嘴收斂角影響

帶氣環(huán)旋噴射流軸心速度和靶體作用壓力與噴嘴收斂角的關(guān)系曲線分別如圖5、圖6所示?？傮w而言，噴嘴收斂角為5°～25°時(shí)，射流軸心速度和靶體作用壓力分布相差不大，在0.6 m范圍內(nèi)射流軸心速度均維持在230 m/s以上，射流作用于靶體的中心壓力為26～27 MPa。也可以看出，噴嘴收斂角對(duì)射流流動(dòng)特征存在一定程度的影響，射流核心段長(zhǎng)度隨噴嘴收斂角的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，收斂角為20°時(shí)射流核心段最長(zhǎng)，達(dá)0.58 m，較收斂角為5°和25°時(shí)分別提高了0.36 m和0.04 m。此外，收斂角為25°時(shí)在超出核心段外射流軸心速度衰減程度相比其他工況更顯著，表明帶氣環(huán)旋噴射流具有最優(yōu)的噴嘴收斂角，收斂角過(guò)小或過(guò)大時(shí)噴嘴內(nèi)部射流能量衰減更多，且射流射出噴嘴后也更為發(fā)散。射流作用于靶體中心的壓力也隨噴嘴收斂角的增大而先增加后降低，在20°時(shí)達(dá)到最高壓力27.3 MPa。可見(jiàn)本文條件下噴嘴最優(yōu)收斂角為20°。

2.2 工作參數(shù)影響

2.2.1 射流壓力影響

圖7、圖8分別為不同射流壓力下射流軸心速度和靶體作用壓力分布曲線。當(dāng)射流壓力為10～40 MPa時(shí)，射流壓力對(duì)軸心速度和靶體作用壓力的分布規(guī)律沒(méi)影響，但對(duì)其作用大小影響顯著；在0.6 m范圍內(nèi)射流軸心速度幾乎無(wú)衰減，射流軸心速度從10 MPa時(shí)的139 m/s增大到40 MPa時(shí)的282 m/s，相應(yīng)地射流沖擊靶體的中心作用壓力從9.4 MPa增加到31.8 MPa。

由圖9可看出：最大軸心速度和最大靶體作用壓力隨射流壓力的增加而增加，其中最大軸心速度與射流壓力基本呈線性增加，但射流沖擊靶體的作用范圍幾乎無(wú)變化。對(duì)50 MPa的射流壓力而言，在靶距0.31 m以外射流速度出現(xiàn)波動(dòng)，如射流軸心速度在0.06 s和0.07 s時(shí)刻顯著不同，射流軸心速度在撞擊靶體前分別為53 m/s和118 m/s，對(duì)靶體的作用壓力分別為5 MPa和12.4 MPa，表明在淹沒(méi)環(huán)境下100 m/s高速氣環(huán)對(duì)50 MPa射流后段形成了不規(guī)則擾動(dòng)，從而使射流速度出現(xiàn)波動(dòng)。由不同入口壓力射流作用下靶體壓力隨時(shí)間的變化曲線可以看出（見(jiàn)圖10）：當(dāng)射流壓力較低時(shí)（如10 MPa），射流對(duì)靶體形成了穩(wěn)定沖擊，作用壓力維持在9 MPa左右；當(dāng)射流壓力增加到30 MPa時(shí)，射流對(duì)靶體的沖擊較為穩(wěn)定，但存在一定程度的波動(dòng)，波動(dòng)值在3 MPa內(nèi)；但當(dāng)射流壓力進(jìn)一步增加到50 MPa時(shí)，靶體作用壓力出現(xiàn)了巨大波動(dòng)，在0.02，0.044，0.068 s和0.074 s時(shí)出現(xiàn)壓力峰值，分別達(dá)20，31，35.5 MPa和27.8 MPa，對(duì)巖土體具有較好的破壞效果。綜上可知，當(dāng)高速氣環(huán)速度一定時(shí)，增大射流壓力能顯著提高射流速度和對(duì)靶體的作用壓力，從而提高射流切割巖土體效果，但較高的射流壓力對(duì)設(shè)備性能的要求也越高，且射流壓力越高時(shí)射流也容易發(fā)生波動(dòng)，使射流保持高速的氣環(huán)速度也需要調(diào)整。因此，為獲得更好的破巖效果和保證作業(yè)安全，應(yīng)根據(jù)旋噴樁巖土體性質(zhì)和設(shè)備性能等實(shí)際情況選擇合適的射流壓力。

2.2.2 氣體速度影響

圖11顯示了不同氣體速度工況下旋噴射流的速度云圖。隨著氣體速度的增加，射流有效作用距離增加，當(dāng)氣體速度為25 m/s和50 m/s時(shí)，射流無(wú)法沖擊到靶體（距離為0.6 m）；當(dāng)氣體速度為75 m/s時(shí)，射流能沖擊到靶體，但沖擊前速度出現(xiàn)了明顯衰減；氣體速度為100 m/s和150 m/s時(shí)，射流均能以高速?zèng)_擊靶體。從中提取出不同靶距處的射流軸心速度和靶體的作用壓力，分別如圖12和圖13所示，氣體速度為25，50 m/s和75 m/s的射流分別在0.08，0.21 m和0.39 m之后出現(xiàn)快速衰減；其中氣體速度75 m/s時(shí)，射流在沖擊靶體前速度為118 m/s，對(duì)靶體形成了9.6 MPa的作用壓力；而氣體速度為25 m/s和50 m/s時(shí)，射流在0.6 m處沖擊靶體時(shí)速度已衰減為零，無(wú)法沖擊靶體。氣體速度為100 m/s和150 m/s時(shí)，射流軸心速度和靶體作用壓力的分布無(wú)差異，射流沖擊靶體時(shí)速度保持在240 m/s以上，對(duì)靶體形成27 MPa以上的作用壓力。由此可以得出結(jié)論：氣體速度越大，射流能量衰減越慢，但當(dāng)氣體速度過(guò)大時(shí)，射流能量衰減程度差異不大。主要原因是氣體環(huán)繞在射流周圍，一方面能抑制射流從噴嘴射出后發(fā)生發(fā)散，使能量集中在射流中心，如圖11中所示射流速度始終集中2.8 mm的范圍內(nèi)；另一方面將高速射流與周圍淹沒(méi)環(huán)境介質(zhì)隔離，降低了射流的摩擦阻力，減小了能量衰減。

3 結(jié) 論

本文采用Mixture多相流模型和RNG k-ε湍流模型分析了帶氣環(huán)旋噴射流的流動(dòng)特征，探討了主要噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵工作參數(shù)對(duì)流動(dòng)特征的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1） 帶氣環(huán)旋噴射流的核心段較長(zhǎng)，且隨噴嘴出口直徑的增大而增加；射流沖擊靶體的作用壓力隨噴嘴出口直徑的增大呈先增加后降低趨勢(shì)，但作用范圍逐漸增加，出口直徑為2.5 mm時(shí)射流對(duì)靶體作用壓力最大，達(dá)27 MPa。

（2） 射流核心段長(zhǎng)度和對(duì)靶體作用壓力均隨噴嘴收斂角的增大先增加后降低，收斂角20°最佳，超過(guò)最優(yōu)收斂角后射流速度衰減加快。

（3） 射流在壓力較低時(shí)對(duì)靶體形成穩(wěn)定沖擊，其軸心速度和靶體作用壓力最大值隨入口壓力的增加而增加，但對(duì)靶體作用范圍影響較?。划?dāng)入口壓力過(guò)大時(shí)，射流后半程速度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。

（4） 氣體速度越大，射流能量衰減越慢，使射流核心段長(zhǎng)度隨氣體速度增大而增加，且射流速度超出核心段后出現(xiàn)快速衰減，而氣體速度過(guò)大時(shí)射流沖擊性能改善不明顯。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

In order to reveal the influence of different factors on the flow characteristics of jet flow with gas ring，the mixture multiphase flow model and RNG k-ε turbulent equation were used to simulate the gas-liquid two-phase jet flow field under different nozzle structural parameters （outlet diameter，convergence angle） and key working parameters （jet pressure，gas velocity）.The distribution characteristics of jet axial velocity and its impact pressure on the target were analyzed.The results showed that when the nozzle outlet diameter was 25 mm and the convergence angle was 20°，the jet convergence was good，the speed attenuation was slow，and the impact pressure on the target was the largest.When the jet pressure was 30 MPa，the impact target pressure reached the maximum （27 MPa） at 06 m.The axial velocity of the jet and the impact pressure on the target increased with the increasing of the jet pressure.However，when the jet pressure was too large，the jet fluctuated violently in the later development stage.The high-speed gas ring can inhibit the jet energy decay，so that the core section length of high-speed jet increased with the increasing of the gas velocity，but the improvement of jet impact performance was not obvious when the gas velocity was high.The research results can provide a reference for the optimization of nozzle structure and the selection of process parameters in rotary jet operation.

Key words：

rotary jet grouting；gas-liquid two-phase jet；submerged environment；flow characteristic；axial velocity