兩種高壓水噴嘴的數(shù)值模擬比較

1、兩種高壓水噴嘴的數(shù)值模擬比較 摘要 ：在高壓旋噴工藝中，為了更好地實現(xiàn)固結(jié)成樁，從而起到防滲加固的作用，需要選擇適當(dāng)?shù)母邏盒龂娝畤娮?，這是決定旋噴工藝成功與否的重要環(huán)節(jié)之一。本文結(jié)合流體力學(xué)中氣液兩相流的知識，模擬了A、 B 兩種不同外形的高壓旋噴水噴嘴在空氣中的射流狀態(tài)。將數(shù)值模擬方法分析出的結(jié)果以速度分布圖、壓力等值線圖、湍流動能圖、流線圖等形式表示出來，通過綜合對比得出水噴嘴A 成樁過程中能更好的攪拌土體巖石，實現(xiàn)高壓旋噴防滲加固的目的。 關(guān)鍵詞 ：噴嘴，旋噴，優(yōu)化，數(shù)值模擬1 問題背景我國廣闊的地域上分布著眾多的河流湖泊，而大江大河的堤壩防滲是不容忽視的一個重要方面，其關(guān)系著人民和國家

2、的利益。為了解決這一問題，采用旋噴注漿技術(shù)加強(qiáng)大壩的防漏能起到很好的效果，對于復(fù)雜的不穩(wěn)固地層，旋噴樁起到了有效的支護(hù)作用。高壓旋噴應(yīng)用廣泛，采用高壓旋噴技術(shù)能有效處理橋臺沉降的問題；將高壓旋噴技術(shù)應(yīng)用在地基處理工程中，既能避免大面積開挖，又能形成具有良好防滲性和高強(qiáng)度性的樁體。經(jīng)巖層注漿和旋噴樁組合治理后部分地基移動變形，下沉量和下沉速率明顯下降，治理效果顯著。應(yīng)用廣泛，作用顯著的高壓旋噴技術(shù)中，水噴嘴的選擇是其中重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系著最終成樁的優(yōu)劣。2水氣兩相流相是具有相同成分和相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。在多相流動的研 究中通常分別稱為固相、液相和氣相。兩相流就是指物質(zhì)兩相同時并存

3、且具有明顯相界面的混合流動。本文中分析研究的水射流噴嘴是在空氣中發(fā)生的噴射過程，這一問題屬于氣液兩相流的問題。兩相流基本守恒方程連續(xù)方程其中，V為控制體，P為相的密度，v為相的速度。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在運動變化過程中，質(zhì)量不會消失，兩相的連續(xù) 性方程同樣滿足質(zhì)量的收支平衡，腳標(biāo) 1、2分別代表不同相的對應(yīng)參數(shù)值。其具 體含義為：在相同的某段時間內(nèi)，控制體內(nèi)質(zhì)量的增加來源于兩相從面和流入的物質(zhì)。2.1.2動量方程付吟1皿的九產(chǎn)5 “帥曲-晨燈g股M血其中，b為單位質(zhì)量流體的徹體力，為對應(yīng)相的壓強(qiáng)張量，腳標(biāo)1、2分別代表不同相的對應(yīng)參數(shù)值。動量方程的具體 意義為：單位時間內(nèi)控制體內(nèi)動量的增加由以下

4、幾部分構(gòu)成：通過表面和流入的流體質(zhì)量所攜帶的動量；外界施加給面和的應(yīng)力；外界施加給控制體內(nèi)各部分的徹體力。2.1.3能量方程#9咚(小Sw+扛+”必心一【.嚴(yán)編曲也十二戶3仍為單位質(zhì)量相具有的內(nèi)能；tf為熱流通量，為外界對單位質(zhì)量的相介質(zhì)的體加熱率。腳標(biāo)k分別取1、2,代表兩相的對應(yīng)參數(shù)值。能量方程的含義為，控制體中的總能量的 增加來自以下幾方面：通過表面流入的質(zhì)量所增加的內(nèi)能和動能；外界施加的面作 用力和徹體力做的功；外界環(huán)境通過表面?zhèn)魅氲臒?；外界對控制體內(nèi)各部分的體加 熱。能量守恒方程反映了自然界中的基本規(guī)律，能量不會憑空消失，只能從一種能 量轉(zhuǎn)移到另一種能量形式。3.兩種水噴嘴模擬的比較

5、兩種水噴嘴采用了水壓 40MP入口速度30m/s,保證出口速度維持在150m/s 左右進(jìn)行計算，出口為大氣壓，噴嘴內(nèi)為單一水相，噴嘴出口外水氣混合。因此，采用模擬軟件分析時，視為兩相流，采用混合模型進(jìn)行分析。對模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格的劃分，采用二維軸又t稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 A噴嘴有兩個直線段，三個非直線段；B噴嘴有兩個直線段，兩個非直線段。兩種噴嘴出口段圓柱長與出口直徑比為距離噴嘴出口最近的第一個錐段為 13度錐角。本文在數(shù)值模擬中，采用混合模型求解。這是一種簡化的多相流模型，并且 具有一定的應(yīng)用條件，混合模型用于模擬各相具有不同速度的多相流，并且假定在 短空間尺度上局部平衡，也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的

6、各相同性多相流和各相以相同速 度運動的多相流。本文中使用分離求解器，認(rèn)為只有氣相是可壓縮的，符合采用混 合模型模擬兩相流的條件。噴嘴A模擬分析結(jié)果圖1水噴嘴A軸對稱模型噴嘴A流線圖2水噴嘴A流線圖圖2為A類型的水噴嘴的流動軌跡線，從圖上可以看出來，噴嘴的結(jié)構(gòu)使得 流線具有很好的聚合性，從而能更好的實現(xiàn)將井下的泥沙等雜物卷起并不斷擾動土 體，為防滲加固提供了很好的保障。A 噴嘴速度分布Inil，UI1I圖3A噴嘴速度矢量分布圖4A噴嘴等速云圖分布圖5A噴嘴速度曲線從圖4的等速云圖上能明顯看出等速核超出噴嘴約30mm圖5反映的中心軸上速度的最大值出現(xiàn)在靠近噴嘴出口處的位置，在此后研究的區(qū)域中心軸位

7、置上的 速度遞減趨勢較慢。噴嘴的特點使得足夠的動量能夠滿足工程上的要求，形成土體 的攪拌，更利于成樁直徑的加大。A噴嘴壓力分布圖6 A噴嘴靜壓分布等值線圖圖6為用彩色圖示表示的混合物的靜壓，單位為帕斯卡。噴嘴內(nèi)有一真空度 處，距離噴嘴外緣約7mm從而更好地保證噴嘴實現(xiàn)水流的噴射。噴嘴內(nèi)的壓力 較高，使水射流能完成工程設(shè)計要求。噴嘴外為大氣壓。InrtuffTUhm? i3 ，miI3K4dr iJ SgMr 411CB+H ;Ki-M4BM4 DfIFPM |EJ圖7 A噴嘴中心軸處靜壓分布取圖7進(jìn)行分析，在橫坐標(biāo)位置-10mm26m的范圍內(nèi)，即噴嘴內(nèi)距離噴嘴出 口約5mm15m的范圍存在真空

8、度。能更好的汲取水，不斷以較大的能量噴射。314A噴嘴湍動能圖8 A噴嘴入口速度50m/s時的湍動能圖9 A噴嘴入口速度30m/s時湍動能圖8和圖9的湍動能圖中可以看到噴嘴的湍流能量較為集中。為了形成對 比，同時分析了入口速度為30m/s和50m/s兩種情況下湍動能的分布情況，分析 發(fā)現(xiàn)隨著速度增大，湍動能在出口能量高且集中的范圍增大，這一情況符合能量的 變化規(guī)律，并且適用于高壓旋噴中沖擊破碎軟地層，從而更好的實現(xiàn)攪拌成樁。3.2 B噴嘴模擬分析結(jié)果圖10水噴嘴B軸對稱結(jié)構(gòu)模型B噴嘴流線圖圖11 B型噴嘴流線圖從圖11可以看到B型水噴嘴的流線的聚合度仍然較好，這一點不能分析出兩 種噴嘴的明顯區(qū)

9、別。B噴嘴速度分布圖12 B噴嘴速度矢量分布圖13 B噴嘴等速度云圖分布圖14 B型噴嘴速度曲線圖13顯示B型噴嘴同一橫截面上軸線位置處水流的速度最大，向兩側(cè)遞減，符合噴嘴的流動特點。但是速度云圖直觀反映出B型噴嘴噴出射流中心范圍的等速核明顯短于A噴嘴的，尤其是B型噴嘴離開噴嘴外邊緣后的等速核部分相比 A型噴 嘴更短。圖14可以看出B噴嘴的速度最大值出現(xiàn)在22mm35mm間的橫坐標(biāo)位置 處，距離噴嘴出口距離遠(yuǎn)于 A噴嘴的，橫坐標(biāo)從速度最大值軸心位置向右速度衰減 增快，其遞減幅度明顯大于 A噴嘴的，說明水射流的噴射能力迅速減弱。因此，從 速度分布上分析，B噴嘴在結(jié)構(gòu)方面沒有A噴嘴優(yōu)化。B噴嘴壓力

10、分布. WnrM TOC o 1-5 h z 楂陽51alic:Pn布m 陛.Jj-If T It Tl M H IM m FiMkn 澗 in)圖15 B噴嘴靜壓分布圖結(jié)合圖7和圖15,可以看到比起A噴嘴來，B型噴嘴內(nèi)沒有明顯的真空度位 置，壓力等值線圖中，B噴嘴沒有A噴嘴明顯負(fù)壓段，橫坐標(biāo)22mm分析范圍邊緣 的位置處都為0壓即大氣壓?？梢姀膲毫Ψ治龅慕嵌纫脖砻?B噴嘴沒有A噴嘴的汲 取水流能力強(qiáng)。B噴嘴湍動能圖16 B噴嘴入口速度50m/s時的湍動能圖圖17 B噴嘴入口速度30m/s時的湍動能圖圖17顯示B噴嘴在入口速度30m/s的條件下噴出水流后，在氣體中具有較大動能的部位分散，使得集

11、中沖擊能力減弱。圖 16 為 B 噴嘴入口速度50m/s 時的湍動能圖，湍動能比較集中，從兩圖對比可以分析出相同外界條件下，B 型噴嘴需要增大初始速度才能實現(xiàn)同A噴嘴相似的湍流動能的集中，可見，B噴嘴比A噴嘴更不容易實現(xiàn)湍流動能的集中釋放，且湍動能的最大值要低于 A 噴嘴的。因此，從湍動能的集中程度及最大值分析，B型噴嘴在結(jié)構(gòu)上沒有A型噴嘴優(yōu)化。小結(jié)通過利用模擬軟件分析，可以得到以下主要結(jié)論：1、噴嘴A比噴嘴B水射流的等速核長，更容易實現(xiàn)水流的集中噴射。尤其是比較噴嘴出口處的外邊緣到外界環(huán)境的范圍內(nèi)的等速核，噴嘴A 也同樣比噴嘴B水射流的等速核長。2、A噴嘴內(nèi)距離噴嘴出口約5mm15m的范圍存在真空度，而噴嘴B并沒有明顯的真空度區(qū)域，因此噴嘴A 能更好地汲取水，從而更具有噴射的源能量。相比之下，噴嘴A 在空氣中發(fā)生水射流的湍流動能更具有集中釋放的能力，并且湍動能分布圖上反映出的最高湍動能值要大于噴嘴B 的。因此，高壓旋噴工藝中噴嘴A 具有更好的破壞土體的能力，更能保證足夠尺寸的成樁直徑?？傊?，通過數(shù)值模擬分析得出的一系列的結(jié)論中可以總結(jié)出在實際的高壓旋噴防滲工程中應(yīng)該考慮優(yōu)選 A 噴嘴，這樣能更好的實現(xiàn)加固防滲的目的。參考文獻(xiàn)：多相