卵石地层泥水盾构环流管道排渣特性研究.pdf
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1、引用格式:任振,贾连辉,王少萍,等.卵石地层泥水盾构环流管道排渣特性研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):171.REN Zhen,JIA Lianhui,WANG Shaoping,et al.Slag discharge characteristics of slurry shield circulatory pipe in cobble stratumJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):171.收稿日期:2022-12-28;修回日期:2023-05-08基金项目:河南省重大科技专项(161100211100)第一作者简介:任振(1990
2、),男,河南商丘人,2021 年毕业于上海交通大学,船舶与海洋工程专业,博士,工程师,现从事隧道掘进机设计与研发工作。E-mail:1070379547 。卵石地层泥水盾构环流管道排渣特性研究任 振1,贾连辉1,王少萍2,叶广朋1,王又增1(1.中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450045;2.北京航空航天大学,北京 100083)摘要:为明晰泥水盾构环流系统管道排渣特性,结合实际设备环流管道的设计与现场应用,使用 EDEM(engineering discrete element method)与 Fluent 耦合的固液两相流仿真技术,对水平-倾斜-水平的连续环流管道渣石和泥浆的运动
3、规律及分布状态进行研究。研究结果显示:1)DDPM 模型(dense discrete phase model)相对于 DPM 模型(discrete phase model)计算精确度更高,更加符合实际情况。2)在初始水平段渣石首先进行悬浮运动,在重力作用下,渣石逐渐沉降在管道底部并进行推移运动。3)渣石在斜管中运动时出现明显的堆积和速度分层现象,斜管截面渣石分布数和最大泥浆流速随着斜管角度的增加先增加后减小,两者均在斜管角度为 45时最大,在 90时最小。4)斜管中渣石平均运动速度随着斜管角度的增加先减小后增加,在斜管角度为 45时最小,在 90时最大。说明渣石在斜管角度为 45左右时堆积
4、比较严重,实际设计中应避免 45左右的斜管。关键词:泥水盾构;泥水环流系统;固液两相流;倾斜管路;管道排渣;渣石平均速度DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.020中图分类号:U 455 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0171-07S Sl la ag g D Di is sc ch ha ar rg ge e C Ch ha ar ra ac ct te er ri is st ti ic cs s o of f S Sl lu ur rr ry y S Sh hi ie el ld d C Ci ir rc cu ul l
5、a at to or ry y P Pi ip pe e i in n C Co ob bb bl le e S St tr ra at tu um mREN Zhen1,JIA Lianhui1,WANG Shaoping2,YE Guangpeng1,WANG Youzeng1(1.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450045,Henan,China;2.Beihang University,Beijing 100083,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To invest
6、igate the slag-discharge characteristics of the slurry shield circulation system in actual design and application,the solid-liquid two-phase flow simulation technology coupling with engineering discrete element method and Fluent is employed to study the movement law and distribution state of slag an
7、d mud in horizontal-tilt-horizontal continuous circulation pipeline.The results reveal the following:(1)Dense discrete phase model is more accurate in calculation and more suitable for the actual working conditions compared with discrete phase model.(2)In the initial horizontal slag stone suspension
8、 motion,stones gradually settle and move at the bottom of the pipeline since gravity.(3)When stone moves in the inclined pipe,obvious accumulation and velocity stratification appear.The stone distribution number and the maximum mud velocity in the inclined pipe section first increase and then decrea
9、se with the increase of the inclined pipe angle.Both of them reach the maximum at 45 and the minimum at 90 of inclined angle.(4)The average velocity of slag decreases first and then increases with the increase of the inclined pipe angle,reaching the minimum at 45 and the maximum at 90 of inclined an
10、gle.It demonstrates that slag accumulation is more serious when the inclined angle is about 45,so the inclined angle with 45 should be avoided in the actual design.K Ke ey yw wo or rd ds s:slurry shield;slurry circulation system;solid-fluid two-phase flow;inclined pipe;slag discharge;average velocit
11、y of particles隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言随着国家隧道工程建设的飞速发展,穿江越海的大直径隧道工程逐渐增多。对于这种大埋深、高水压、高富水地层的隧道,采用泥水平衡盾构1(slurry pressure balance shield)开挖是较好的选择。环流系统被称为泥水盾构的“血管”,起到稳定开挖面和运输渣石的作用。在渣石运输过程中容易出现管道堵塞的问题,极大影响施工安全和效率,因此明晰渣石在管道中的运动规律及分布状态对解决管道堵塞问题具有十分重要的意义。目前,国内外学者在管道排渣方面已做了大量研究。赵亮亮等2阐述了管道排渣在各行业的应用以及最新的研究内容和方法。许振良等
12、3、邱灏等4通过试验与理论分析相结合的方法对管道排渣不淤临界流速计算方法进行了修正。熊庭等5通过 CFD 数值模拟研究了泥沙在水平管道中的运动特性。陈健等6通过数值分析的方法探究了泥浆流速与密度对水平管道压降的影响。郭小龙等7以南昌地铁4 号线为例,进行了环流系统设计计算和泥浆携渣能力计算。吴遁8以兰州地铁穿黄工程为例,通过 CFD-DEM 流固耦合模型研究了水平管道在卵石地层中的输渣特性,详细介绍了泥浆流量、泥浆相对密度、渣石质量流率对渣石堆积量、泥浆管路水力坡降的影响。郭易东等9通过流固耦合模型探究了排渣管道弯头角度与沿程压力损失的关系。黄子兴等10使用流体力学软件对泥浆弯管输送含粗渣土泥
13、浆时的冲蚀磨损过程进行模拟仿真。叶忠11以洛阳地铁 2 号线为例,介绍了泥水盾构在全断面卵石地层中掘进的施工状况,并给出了多种优化措施。夏毅敏等12研究了卵石粒径、泥浆流速、泥浆密度等对环流系统水平管道压力损失和石碴群输送速度的影响规律。贺开伟等13通过工程实例描述了卵石底层堵管卡泵的现象,并在成都紫瑞隧道项目提出“螺机+双直排”的设计方案。伍超14、刘方15通过使用食盐水与透明管观察了单个卵石在管道中的运动规律。Vlasak 等16通过试验研究了管道中流体流速和颗粒浓度对管道压力损失和流场的影响,发现管道压力损失随着颗粒浓度的增大而增大。Hashemi 等17通过电阻成像技术观测管道中固相的
14、浓度分布及速度。Ravelet 等18利用多尺度透明球形珠子观测了其在透明管道中的运行规律。Yang 等19通过仿真与试验相结合的方法研究了不同倾角直管的输渣特性。以往学者在管道排渣方面的研究多集中在单一水平直管或斜管方面,未研究连续性管道的排渣特性,且对连续管道斜管段渣石的运动和分布规律研究较少。鉴于此,本文使用流体力学软件与离散元软件耦合的方法,探究了水平-倾斜-水平连续管道中渣石的运动规律和泥浆流动特性。从斜管截面渣石分布数、泥浆流速、渣石平均运动速度方面分析了不同倾角管道渣石的分布状况。1 数学模型 管道排渣涉及到液相流动与固相运动及两相相互作用。为简化计算,进行以下假设:1)泥浆的组
15、成成分主要是清水、膨润土、CMC 等16,所含的细颗粒较少且粒径小于 0.075 mm,可将泥浆视为连续不可压缩介质。2)认为渣石粒径相同且近似球形。3)不考虑渣石破碎的影响。1.1 离散相运动模型 颗粒作为离散相其运动遵循牛顿第二运动定律。在每个时间步内根据颗粒所受的合力计算颗粒的速度、加速度、转动惯量及位置坐标,不断追踪颗粒,更新颗粒的轨迹,其运动方程为:mpdvpdt=Fw-p+Fp-p-Ff+mpg。(1)Ipdpdt=Mp。(2)式中:mp为颗粒质量,kg;vp为平移速度,m/s;Fw-p、Fp-p、Ff分别为壁面对颗粒的力、颗粒之间的力、流体对颗粒的力,N;Ip为转动惯量,kgm2
16、;p为角速度,rad/s;g 为重力加速度;Mp为颗粒所受力矩,Nm。1.2 连续相流动模型液相流动模型遵守连续性方程与动量方程,但需要考虑固相所占的体积分数以及固液两相间的相互作用力,方程如下:t(f)+?(fuf)=0。(3)t(fuf)+?(fuf)=-?f+?(?uf)+fg-F。(4)式中:f为液体密度,kg/m3;为液体体积分数;uf为液体流速,m/s;为液体黏度,Pas;F 为流体所受阻力总和,N。1.3 连续相与离散相作用模型在不涉及热量与组分传送的情况下,连续相与离散相通过动量交换实现耦合,固液耦合作用力计算公式为:Ff=Kfp(uf-up)。(5)271增刊 1任 振,等:
17、卵石地层泥水盾构环流管道排渣特性研究式中:Kfp为动量交换系数;uf、up分别为流体速度与颗粒速度,m/s。曳力模型计算公式为:fd=0.5CD A uf-up(uf-up)。(6)式中:fd为流体对颗粒的曳力,N;为流体密度;A 为颗粒的投影面积,m2;CD为与雷诺数相关的阻力系数。2 管道模型及渣石参数2.1 管道模型 管道模型来源于实际设备,如图 1 和图 2 所示。管道 内 径 400 mm,水 平 段 长 4 000 mm,高 度 为4 500 mm,弯曲半径为 610 mm,倾角 分别取 30、45、60、75、90。采用六面体网格划分模型,根据管道角度的不同,模型大小也不同,网格
18、单元数为20 23525 630。图 1 管道三维参数及网格划分(单位:mm)Fig.1 Pipeline three-dimensional parameters and mesh(unit:mm)图 2 环流系统连续管道Fig.2 Circulation system continuous pipe2.2 渣石及泥浆参数 在施工时使用的泥浆为宾汉塑性流体8,泥浆密度为 1.01.5 g/cm3,黏度 为 2060 mPas。考虑到泵的使用效率及管道的磨损,一般情况下泥浆流速约为 4 m/s,雷诺数为 44 444。渣石粒径为 10 40 mm,渣石平均粒径为 20 mm,管径与粒径比为 2
19、0,渣石密度为 2.65 g/cm3,渣石产生量为 6 200 个/s,仿真参数如表 1 所示。渣石产生量根据开挖直径、掘进速度等确定,计算公式如下:P=D2v(1-n)4Vp。(7)式中:P 为颗粒产生数量;D 为隧道开挖直径,m;v为掘进速度,m/min;n 为地层孔隙率;Vp为颗粒体积,m3。表 1 仿真参数Table 1 Coupling parameter settings泥浆流速/(m/s)泥浆密度/(kg/m3)渣石初速度/(m/s)渣石密度/(g/cm3)渣石直径/mm渣石泊松比渣石剪切模量/Pa渣石-卵石静摩擦因数渣石-卵石动摩擦因数渣石-壁面静摩擦因数渣石-壁面动摩擦因数渣
20、石恢复系数泥浆入口设置泥浆出口设置泥浆流动模型渣石运动模型Fluent步长EDEM步长41 25002.65200.132.210100.050.010.050.010.05速度入口压力出口SST K-模型赫兹无滑移与标准滚动摩擦模型110-4110-53 仿真结果及分析3.1 耦合原理及模型对比EDEM-Fluent 耦合过程是一个瞬态双向数据传递的过程。首先,利用 Fluent 计算 1 个时间步的流场信息;然后,启动 EDEM 进行相同时间迭代,流体对颗粒的作用将通过接口传递至 EDEM 作为颗粒体积力影响颗粒的运动。计算完成后,EDEM 利用耦合接口将颗粒的位置、体积分数、温度等信息传
21、递至 Fluent 中,Fluent 根据颗粒数据计算对流体流动的影响。逐步循环迭代,实现全过程的瞬态模拟。EDEM-Fluent 耦合仿真计算原理如图 3 所示。图 3 EDEM-Fluent 耦合仿真计算原理Fig.3 EDEM-Fluent coupling simulation calculation principle371隧道建设(中英文)第 43 卷 在 EDEM 与 Fluent 耦合计算时可选 2 种模型,即DDPM(dense discrete phase model)与 DPM(discrete phase model)模型。DDPM 为稠密离散相模型,该模型主要适用于固
22、相体积分数高于 10%的工况,即 DDPM考虑了渣石对泥浆流速、压力等的影响。但在离散元与有限元软件耦合计算时,必须保证网格基本尺寸为渣石粒径的 35 倍,网格体积为渣石体积的 10 倍以上。DDPM 模型计算结果精确,但是计算速度缓慢,计算要求较高。DPM 为离散相模型,适用于固相体积分数低于 10%的工况,即固相对流体流动影响较小的工况。DPM 模型计算精度偏低,但是计算速度较快。2种计算模型各有优劣,针对所研究的工况需要判断DPM 模型与 DDPM 模型在计算结果方面的差距。若差距较小,可使用 DPM 模型,保证计算速度的同时兼顾计算精度;若差距较大,则使用 DDPM 模型,保证计算结果
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