三重管法高压喷射注浆装置水气同轴喷嘴CFD模拟

2022-08-12邓永锋吕剑虹许传龙

东南大学学报（自然科学版） 2022年4期

张峰李健邓永锋吕剑虹许传龙柯瀚

(1东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(2东南大学大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心, 南京 210096)(3东南大学交通学院, 南京 210096)(4浙江大学建筑工程学院, 杭州 310058)

随着经济的蓬勃发展,在人民生活水平得以大幅度提高的同时,工业化直接或间接引发的以污染土为典型的环境岩土工程问题日益严重. 污染场地一般分为重金属污染场地、有机污染场地及复合污染场地[1]. 2014年中国环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》[2]表明:全国土壤总超标率为16.1%,污染类型以重金属污染为主. 重污染企业用地、工业废弃地、工业园区等工业污染场地超标点位30%以上,重金属污染场地又包括单一和多种重金属污染,国内常见重金属污染主要有汞、铜、锌、铬、镍、钴、砷、铅、镉等[3-4],此类有毒化学物质能通过食物、饮用水等多种途径直接或间接进入人体,给人类的身心健康带来极大的危害风险,同时污染物渗漏到地基土体中,使得地基土体强度降低,引起建筑物失稳或破坏,影响地下工程施工和运营安全[5-8]. 重金属污染具有普遍性、潜伏性、长期性、复杂性等特点.

固化/稳定化技术是修复重金属污染的主要方法,该技术通过黏合剂和添加剂对目标介质中污染物的吸附、络合和螯合等,使污染物固定在固体块中,同时稳定污染物的化学性质[9-10]. 而污染土与药剂充分均匀拌和是污染场地修复有效落实的重要保障. 高压喷射注浆装置是常用的固化/稳定化修复设备,三重管法喷射注浆采用低压浆液喷射、高压水和压缩空气切割土体的方式,使该方法有效作用直径增大,混合效果明显优于单重管及二重管法[11]. 喷头上的水气同轴喷嘴是将高压泵输送的流体压能最大限度地转换成射流动能的装置,是反映高压注浆凝结体影响范围的关键部件. 水气同轴喷嘴同时进行高压水喷射流和气流喷射冲切土体,使之形成较大空隙,再由泥浆泵注入浆液填充,在土层中凝固为直径较大的圆柱状固结体,可对细砂层、极细砂层、黏土层等进行破坏处理. 该喷嘴具有适用场地范围广泛、结构简单方便管理、浆液集中不易流失、施工方便且安全、价格低廉易加工等优点. 同时，除射流流速大小与水气同轴喷嘴前的压力有关外,喷嘴的结构对射流混合均匀性的影响也较大,会导致污染土壤修复效果存在较大差异[12].

目前,水气同轴喷嘴瞬态高压射流流体力学特征的复杂性以及实验测定条件的限制使得对气环保护水射流流场分布进行系统性研究存在较大困难[13],国内外关于水气同轴喷嘴在土壤介质中射流的相关研究很少. Ruiz-Rus等[14]通过实验研究了水气同轴喷嘴内部受气压变化的影响发生周期性鼓泡的现象. Kang等[15]利用高速摄影机对气液旋流同轴喷嘴的低压射流雾化过程进行了捕捉,并表征了雾滴的直径和速度. Chen等[16]运用激光相位多普勒干涉仪对不同压力环境下气液同轴喷嘴的射流雾化速度场进行了分析. Ren等[17]通过耦合VOF(volume of fluid)模型和水平集模型对气液同轴喷嘴的雾化过程进行了数值模拟,所得结果与实验数据基本吻合. 马年[18]基于COMSOL软件优化了空气介质中射流的水气同轴喷嘴结构. 关于水气同轴喷嘴的已有研究多是集中在喷嘴内部流动,未考虑射流空间介质对喷嘴高压射流性能的影响. 因此,针对不同水气同轴喷嘴在土壤介质中的射流数学模型还有待进一步改进.

本文通过计算流体动力学(CFD)方法,考虑空气-水-污染土3相之间的曳力作用,建立流线形、收敛圆锥形和圆柱形结构的水气同轴喷嘴在土体介质中的射流流动的数学模型,采用Eulerian多相流模型数值模拟得到不同结构水气同轴喷嘴在土体介质中的射流方向、横向扩散宽度及中心轴线速度场的变化规律,可为三重管法高压喷射注浆装置的喷嘴设计与优化提供必要的分析方法和理论指导.

1 水气同轴喷嘴几何结构

喷嘴结构是影响高压喷射注浆性能的主要因素之一. 高压喷射注浆装置的水气同轴喷嘴分别由水喷嘴和环绕其周围的气喷嘴构成,其环状间隙一般为1～2 mm,通常有流线形、收敛圆锥形和圆柱形3种结构形式,其几何模型与尺寸如图1所示. 流线形水气同轴喷嘴中的水通道为过渡段,可使喷嘴内部高压流体受到的内摩擦力和涡旋阻力减小,具有较好的射流聚集性,水喷嘴的入口直径为8 mm,出口直径为4 mm,过渡段的直径为5 mm,环状间隙为1 mm. 收敛圆锥形水气同轴喷嘴没有过渡段,水通道由入口直径8 mm渐缩至4 mm,导管长度为36 mm,环状间隙的距离及气喷嘴的设置与流线形水气同轴喷嘴的设置一致,其射流聚集性较差,一般适用于中、低压的水射流. 圆柱形水气同轴喷嘴的结构形式较简单,水通道没有过渡及渐缩段,入口直径和出口直径均为4 mm,导管长度也为36 mm,环状间隙及气喷嘴的参数设置与另外2种结构形式的喷嘴一致,同时其结构形式简单便于制作加工.

(a) 流线形

2 土体介质高压射流数学模型

水气同轴喷嘴在土体介质中的高压射流主要

包括喷嘴内部通道高压液体由压力能转化为动能瞬间喷射剧烈湍动的过程,以及喷射出的流体受土体介质阻力卷吸的过程. 土体介质高压喷射过程中的气液固3相为相互独立的连续性介质,每一个相变过程可用质量守恒方程、动量守恒方程描述. 同时,喷射过程中的气体和液体会卷吸土体导致射流速度衰减,因此3相之间的相互作用与影响可耦合曳力模型,用相间动量交换方程进行描述. 由于水气同轴喷嘴的高压射流是强烈湍流变化过程,RNGk-ε模型适用于二次流等相对复杂的流场分析,并且考虑了流场中的小尺度运动,进一步提高了求解结果的准确性,因此选择RNGk-ε湍动模型描述高压射流的高湍流过程.

2.1 质量守恒方程

水气同轴喷嘴在土壤介质高压射流过程中的气相、液相和固相被当作3个独立的相. 气相、液相和固相为互相渗透的连续性介质,3相的流动过程遵循质量守恒方程,在计算单元内,3相压力与其相含率成正比[19-20]. 3相的质量守恒方程为

(1)

εl+εg+εs=1

(2)

式中,εn为流体中n相的体积分数,下标n=l, g, s分别表示液相、气相和固相;t为时间,s;ρn表示n相的密度,kg/m3; ∇为哈密顿算子;un表示n相的速度矢量,m/s.

2.2 动量守恒方程

水气同轴喷嘴在土壤介质中的高压射流过程遵循动量守恒定律,即液相和气相的动量随时间的变化率与喷射过程中所受的压力、应力、重力及相间交换作用力相等,固相动量随时间的变化率与高压喷射过程所受的压力、应力、重力、颗粒间碰撞引起的附加力及相间作用力相等.建立的气液固3相的动量守恒方程如下所示.

液相动量守恒方程

∇(εlμeff,l(∇ul+(∇ul)T))+ρlεlg+Mi,l

(3)

气相动量守恒方程

∇(εgμeff,g(∇ug+(∇ug)T))+ρgεgg-Mi,g

(4)

固相动量守恒方程

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

(5)

式中,p为压力,Pa;ps为颗粒碰撞的附加固相压力,Pa;g为重力加速度, m/s2;μeff,l、μeff,g、μeff,s分别为液相、气相和固相的有效黏度, Pa·s;Mi,l、Mi,g、Mi,s分别表示气液固3相间的作用力,N.式(3)和式(4)两等式的右边各项分别表示压力梯度、应力、重力和相间动量交换作用力.式(5)等式右边分别为固相压力梯度、颗粒碰撞的附加固相压力、固相应力、固相重力和相间作用力.

2.3 相间动量交换方程

土壤介质中的高压喷射过程存在液相、气相及固相3相间的动量交换,将液相当作连续相,气相和固相作为分散相.考虑2相间的曳力模型,包括液相和气相之间、液相和固相之间以及气相和固相之间的曳力作用[21].2相间的曳力模型如下.

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

(6)

式中,FD,gl为气液2相间的作用力,N;KD,gl为气液2相间动量交换系数.

(7)

式中,db为气泡尺寸,μm;CD,gl为无量纲的气液2相间的曳力系数,可由Tsuchiya模型[22]得到,即

(8)

(9)

(10)

式中,Re1为气液2相流动雷诺数;μl为液体黏度, Pa·s;Eo为爱特威数;σ为液体表面张力系数.

液固2相间曳力模型

(11)

式中,FD,ls为液固2相间的作用力,N;dp表示颗粒尺寸,μm;CD,ls表示液固2相间的曳力系数,可由Gidaspow模型[23]得到,即

(12)

式中,CD为曳力系数.

TCL集团在公告中表示，此次交易有助于上市公司解决多元化经营下业务众多、资源投入分散、行业发展阶段和周期不均衡、股东回报影响要素繁杂的现状。

气固2相间曳力模型

(13)

式中,FD,gs为气固2相间的作用力,N;CD,gs表示气固2相间的曳力系数, 可由Schiller-Naumann模型[24]得到,即

(14)

(15)

式中,Re2表示气固2相流动雷诺数;μg表示气体黏度, Pa·s.

2.4 气液固3相湍动模型

土壤介质中的高压射流流场为高湍流状态,RNGk-ε模型通过变化生成项来考虑各个尺度的运动,可以较好地描述高压射流的湍动过程[25],计算公式可表示为

(16)

(17)

式中,ρ表示密度,kg/m3;u表示速度矢量,m/s;μeff表示液体有效黏度,Pa·s;k为湍流脉动动能, J;ε为湍流能量耗散率;Gk为由层流速度梯度而产生的湍动能项;Gb为由浮力产生的湍动能项;YM为在可压缩流动中,湍流脉动膨胀到全局流程中对耗散率的贡献项;αk、αε与Prandtl数是反比例关系；Sk和Sε为自定义的湍动能项和湍流耗散源项;C1ε、C2ε、C3ε为常量,分别为1.42、1.68和0;Rε为模型参数.

3 数值模拟

3.1 计算流域及边界条件设置

流线形、收敛圆锥形和圆柱形结构的水气同轴喷嘴模拟用的计算流域包括水通道区域、气通道区域以及土体区域,同时在模拟计算之前需对计算流域的初始状态进行定义,水通道及气通道初始定义充满空气,土体区域初始定义为300 mm×120 mm固相土壤介质. 水气同轴喷嘴在土壤介质中的高压射流存在复杂的气液固3相流动,具有剧烈的能量交换与紊动扩散,因此采用Eulerian多相流模型. 模拟采用基于压力的瞬态计算,以水、空气和土壤为模拟介质. 气相进口为压力入口,入口压力为0.7 MPa；液相进口为压力入口,入口压力为20 MPa；土壤介质空间为压力出口. 压力的松弛因子为0.3,动量的松弛因子为0.7,其他设置保持默认. 瞬态计算的时间步长为1×10-7s,总的模拟时间约为0.02 s. 取水的密度为998.2 kg/m3,空气的密度为1.29 kg/m3；取土壤的密度为2 500 kg/m3,黏度为10 Pa·s,粒径为50 μm.

3.2 网格无关性验证

网格划分是数值模拟的核心部分,网格的划分质量会直接影响到模拟结果的准确性,网格尺寸过大会引起模拟结果震荡不收敛,网格尺寸过小会对计算机的硬件及内存提出更高要求,并且会延长计算时间. 采用ICEM用切块分区的方法把水气同轴喷嘴射流计算流域分成不同的区域,不同区域采用结构化网格划分方式,划分后的流体域网格如图2所示. 为了考虑不同的网格数对模拟结果的影响,将计算域的网格数分别划分为54 540、140 200、255 859.当水喷嘴入口压力为20 MPa、气喷嘴的入口压力为0.7 MPa时,3种网格数下的30 mm横向位置液相速度模拟结果如图3所示,其速度曲线随着横向位置的变化基本一致. 因此,本文采用的模拟网格数为54 540.

图2 水气同轴喷嘴计算流域网格划分图

图3 不同网格数下的速度变化图

3.3 模型验证

为了验证所选模型的准确性,考虑高压射流的液相介质水为牛顿型流体,因此可将伯努利方程与流体连续性方程联立求得水喷嘴出口速度的理论值,并将喷嘴出口处的速度模拟值与理论值进行对比来验证所选取模型的准确性.

伯努利方程

(18)

式中,p1、p2分别为流体微团在位置1和位置2处的压强, Pa;v1、v2分别为流体微团在位置1和位置2处的速度, m/s;h1、h2分别为流体微团在位置1和位置2处的高度,m.

流体连续性方程

Q=v1A1=v2A2

(19)

式中,Q为流体流量, m3/s;A1、A2分别为流体微团通过位置1和位置2处的横截面积,m2.

喷嘴出口速度

(20)

当水喷嘴的入口压力为20 MPa时,依据式(20)计算所得的速度理论值为 199.9 m/s,数值模拟后处理所得的速度值为 199.7 m/s,模拟值与理论值吻合较好,所选计算模型准确可靠.

4 模拟结果与讨论

4.1 射流方向

现场施工过程中通常将污染土破碎成小颗粒后再与药剂浆液均匀混合,因此水气同轴喷嘴高压射流切削土壤的效果直接影响三重管法高压喷射注浆性能. 气喷嘴在高压水射流周围形成空气流保护环,使得高压射流流体所受的阻力减小,增大其切削土体的能力. 通过后处理分别提取了3种结构水气同轴喷嘴高压射流过程中不同时刻的气相体积分率分布规律,如图4所示. 由图可知,3种结构的水气同轴喷嘴在射流的初期阶段,气相体积分率的分布基本一致；但随着射流时间发展及距离的增加,收敛圆锥形和圆柱形水气同轴喷嘴的气相体积分率分布发生较大偏差,气环不能较好地包覆高压水射流；而流线形水气同轴喷嘴在高压射流的主要区域,气相体积分率分布较均匀,气环可以起到保护高压水射流的作用. 同时,高压水射流的方向若发生上下偏移也会影响污染土的切削均匀性. 通过后处理提取了如图5所示的3种结构水气同轴喷嘴高压射流过程中不同时刻的液相体积分率分布规律. 由图可知,流线形水气同轴喷嘴的高压射流方向在初期区域、迁移区域及主要区域基本没有发生偏移,收敛圆锥形和圆柱形水气同轴喷嘴的射流方向偏移较大.

图4 不同结构水气同轴喷嘴射流气相体积分率时序图

图5 不同结构水气同轴喷嘴射流液相体积分率时序图

4.2 横向扩散宽度

水气同轴喷嘴高压射流的横向扩散宽度是影响切削土体均匀性的重要参数. 射流横向扩散宽度在射流速度范围相同的前提下,其宽度越大表示射流在该截面的影响范围越大,切削土体的效果越好. 通过后处理分别提取了30、110、190、270 mm截面处液相的速度分布,3种结构水气同轴喷嘴在不同截面的速度分布规律见图6. 3种结构水气同轴喷嘴的射流横向扩散宽度在30 mm截面处的对称性基本一致,但随着射流距离的增加,收敛圆锥形和圆柱形水气同轴喷嘴的射流横向扩散宽度在110、190、270 mm截面处出现不同程度波动,对称性较差,而流线形水气同轴喷嘴依然保持较好的对称性,且具有较高的速度峰值.随射流距离的增加,流线形水气同轴喷嘴相对于其他2种结构的喷嘴,依然保持较好的射流横向扩散宽度,可进一步提升切削土体的能力.

4.3 中心轴线速度

中心轴线速度反映了水气同轴喷嘴高压射流的稳定性和集束性. 3种结构的水气同轴喷嘴的中心轴线液相速度场分布如图7所示. 高压喷嘴是将流体的压力能转换为动能,单一的水喷嘴喷射的流体受到土壤环境的阻力,存在速度衰减较快的问题. 水喷嘴的周围添加气喷嘴后,气环的保护有效减小了流体所受的阻力,使得高压流体的喷射距离与切削范围明显增大.由图7可知,在射流初期,3种结构水气同轴喷嘴中心轴线速度的变化趋势基本一致,但随着射流距离的增加,收敛圆锥形和圆柱形水气同轴喷嘴的中心轴线速度衰减较快,而流线形水气同轴喷嘴的中心轴线速度衰减缓慢,依然保持较高的射流冲击能量,可保证较好的注浆直径和均匀性.