一種大深度豎井掘進(jìn)機(jī)泥漿環(huán)流系統(tǒng)用對沖減壓裝置的研制

0引言

目前,國內(nèi)豎井掘進(jìn)施工中使用的大部分豎井掘進(jìn)機(jī)都搭載了泥漿環(huán)流系統(tǒng),用于高效地輸送出渣。但對于豎井掘進(jìn)工程來說,當(dāng)超過一定開挖深度時(shí),泥漿介質(zhì)在重力作用下會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊壓力,特別是當(dāng)輸送的泥漿含有大直徑顆粒時(shí),常規(guī)的增加額外的管路加固措施往往難以在這種工況下長時(shí)間工作^[1—2]。因此,開發(fā)設(shè)計(jì)一種能夠工作在惡劣固液兩相流工況下對抗高水頭的管道消能裝置,在該應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義^[3—7]。

本文提出了一種新型的淹沒射流對沖減壓裝置,其可以作為泥漿環(huán)流系統(tǒng)的被動(dòng)式熱備減壓措施,用作主動(dòng)減壓措施(即泥漿透平)的備份與保障。這種裝置能在泥漿環(huán)流系統(tǒng)中作為在線式熱備,當(dāng)發(fā)生由各種原因如泥漿透平機(jī)械故障,或是管路破裂引發(fā)泄漏等導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)發(fā)生水擊時(shí),能夠自動(dòng)投入使用而無須等待控制系統(tǒng)響應(yīng),縮短反應(yīng)時(shí)間,最大程度上減小事故帶來的危害,防止泥漿環(huán)流系統(tǒng)因?yàn)槟骋患墦p壞而導(dǎo)致逐級擊穿^[7—12]。此外,該裝置還具備結(jié)構(gòu)簡單可靠,易于維護(hù),在大含沙量的液體流動(dòng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)不易沖刷磨損或是堵塞,能夠保持全時(shí)段在線等特點(diǎn)。

1對沖減壓裝置結(jié)構(gòu)

該新型對沖減壓裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1 (a)所示,主要由管段、噴嘴、緩沖室三個(gè)部分構(gòu)成。

工作過程主要分為三個(gè)階段,首先是上游來流介質(zhì)進(jìn)入進(jìn)口段后,先經(jīng)由耐磨分流板被左右分開進(jìn)入分流管段,隨后在分流管段中改變流徑由左右對稱布置的對沖噴嘴加速噴出,在緩沖室中產(chǎn)生淹沒射流,互相沖擊將其攜帶的動(dòng)能抵消大部分,最后重新將剩余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能并向下游流動(dòng)。

如圖1(b)所示,當(dāng)系統(tǒng)處于上游來流壓力突增、超過聯(lián)軸的透平電機(jī)泵組最大減壓處理能力并觸發(fā)控制系統(tǒng)限速,或是泥漿透平及電機(jī)泵故障等情況下,位于透平電機(jī)泵組下方的對沖減壓器將無須控制切換,直接伴隨突增的壓力 自動(dòng)投入,其響應(yīng)快,工作原理安全可靠,失效風(fēng)險(xiǎn)低,檢修與維護(hù)成本較低,可以作為可靠熱備長期在線。

2對沖減壓器仿真分析

仿真中發(fā)現(xiàn)受兩股對沖的射流撞擊產(chǎn)生的沖擊鋒面的影響,緩沖器的壁面受到較大局部壓力,因此額外增設(shè)了一個(gè)位于緩沖罐中心的對沖鋒面導(dǎo)流器,使其能夠?qū)⑾蛩闹軘U(kuò)散的沖擊鋒面重新引導(dǎo)至射流對沖的匯聚點(diǎn)進(jìn)行二次消能,構(gòu)成了如圖2所示的無對沖鋒面導(dǎo)流器與有對沖鋒面導(dǎo)流器兩種方案。

2.1水體模型建立

共計(jì)建立四種方案來進(jìn)行仿真運(yùn)算,前三個(gè)為有對沖鋒面導(dǎo)流器減壓器但噴嘴間距不同的方案,第四個(gè)為噴嘴間距與第三個(gè)相同但無對沖鋒面導(dǎo)流器減壓器的方案,各方案的幾何參數(shù)取值如表1所示。

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證:保持進(jìn)出口壓差1.6MPa(16bar) 時(shí)監(jiān)測出口流量作為驗(yàn)證,在300萬網(wǎng)格左右流量趨于穩(wěn)定,如圖3所示。

對各個(gè)方案構(gòu)建如圖4所示的流體域,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,綜合考慮后采取適應(yīng)性較好的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分法,網(wǎng)格數(shù)如表2所示。

2.2 控制方程、邊界條件、求解器設(shè)置及監(jiān)測點(diǎn)

數(shù)值模擬采用ANSYS—CFX軟件平臺(tái),湍流模型則選取RNG K—ε模型,采用有限體積法離散N—S方程,近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理;壓力和速度的耦合采用SIMPLE—C算法;擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式,離散格式采用二階迎風(fēng)格式,各控制方程采用二階離散格式可以減小數(shù)值計(jì)算截?cái)嗾`差的影響,提高計(jì)算精度。

連續(xù)性方程:

式中:ρ為流體介質(zhì)密度;t為時(shí)間;u_i表示在坐標(biāo)x_i上的速度分量;x_i表示坐標(biāo)分量。

動(dòng)量方程:

式中:u_i、u_j表示平均速度分量;x_i、x_j表示坐標(biāo)分量;p為壓力;μ為流體介質(zhì)的動(dòng)力粘度;S_mi表示動(dòng)量方程源項(xiàng),常簡化為0。

對于邊界條件的設(shè)置則是先采用入口1.6 Mpa (16 bar)、出 口0.1 Mpa(1 bar)作為邊界條件進(jìn)行定常計(jì)算,然后在定常計(jì)算基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)計(jì)算。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長定為0.01 s,平穩(wěn)運(yùn)行1 s后進(jìn)口壓力上升到1.6 Mpa(16 bar),2 s時(shí)升高到18 Mpa(180bar),然后保持該數(shù)值一直計(jì)算到3s,出 口則一直保持0.1 Mpa(1 bar)。入口壓力P隨時(shí)間變化的函數(shù)如下所示,瞬態(tài)計(jì)算總共持續(xù)3 s。

式中:P為壓力;t為時(shí)間。

2.3仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證對沖減壓器新構(gòu)型的設(shè)計(jì)合理性,并探究介質(zhì)在對沖減壓器內(nèi)部流動(dòng)時(shí)速度及壓強(qiáng)等參數(shù)的變化,運(yùn)用流體仿真軟件對不同噴嘴間距的對沖減壓器進(jìn)行流場仿真。

2.3.1靜壓

圖5為裝置出口處監(jiān)測點(diǎn)的靜壓隨時(shí)間及進(jìn)口壓力變化的趨勢和各監(jiān)測點(diǎn)布置位置示意圖。

當(dāng)模擬進(jìn)行到第3s時(shí),裝置的壓力云圖如圖6所示。

據(jù)圖5、圖6可以分析得出,對沖消能結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)對在第1秒時(shí)突然增大的進(jìn)口壓力,大部分靜壓將在射流噴嘴處被轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓,通過對沖射流相互抵消速度矢量并將壓力能轉(zhuǎn)換為熱能,最終被減壓后的介質(zhì)帶往下游并逸散至環(huán)境中。

并且,根據(jù)圖6可知,噴嘴間距的差異及結(jié)構(gòu)上有無導(dǎo)流器的不同對于大壓力脈沖下的消能效果無明顯影響,四種構(gòu)型的終時(shí)出口靜壓沒有較大差別。

當(dāng)進(jìn)口壓力較低時(shí),整個(gè)裝置的壓損較小,理論上能夠作為在線式熱備配置在系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置,且不會(huì)對系統(tǒng)總效率造成較大的影響。

2.3.2流速

圖7為裝置出口處監(jiān)測點(diǎn)的流速隨時(shí)間變化的趨勢。

當(dāng)模擬進(jìn)行到第3秒時(shí),裝置的速度云圖如圖8所示。

據(jù)圖8可以看出,有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu),出口流速變化較大,這是由進(jìn)口總壓增加帶來的總的質(zhì)量流量上升所導(dǎo)致的,由于流量守恒,所以出口流速有所上升,但是不影響裝置總體的減壓消能效果。四種結(jié)構(gòu)出口流速的波動(dòng)范圍均維持在30~40 m/s內(nèi)。在結(jié)構(gòu)上,由圖8可以發(fā)現(xiàn),有導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的緩沖室內(nèi)速度的分布更加均勻,這有助于降低對緩沖室的沖蝕磨損,同時(shí)易于更換的導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)可作為易損件進(jìn)行設(shè)計(jì),使用上進(jìn)行定期更換的成本相較于更換緩沖室更具有經(jīng)濟(jì)性。

2.3.3湍動(dòng)能

由圖9的四種結(jié)構(gòu)末時(shí)湍動(dòng)能云圖可以直觀地讀出能量的損耗主要發(fā)生的位置。在沒有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)中兩股射流對撞產(chǎn)生的沖擊鋒面仍然攜帶有較大的能量,在向四周擴(kuò)散的過程中進(jìn)一步與周圍低速介質(zhì)通過湍流的形式發(fā)生能量交換,因此此處被湍流帶走的能量相對在緩沖室中總的耗散能量仍占有較大比重。而帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)中,兩股射流對撞產(chǎn)生的沖擊鋒面被導(dǎo)流器重新引導(dǎo)回對撞中心,且速度的矢量方向與已經(jīng)耗散掉的大部分能量被擠出導(dǎo)流器的介質(zhì)的流動(dòng)方向相反,再次形成類似對沖消能的效果,由云圖可以發(fā)現(xiàn)湍動(dòng)能峰值區(qū)域主要集中在導(dǎo)流器內(nèi)部,因此可以認(rèn)為導(dǎo)流器能夠有效減少對撞射流產(chǎn)生的沖擊鋒面對緩沖室的沖蝕磨損。

2.3.4消能率

以進(jìn)出口總壓的變化為基礎(chǔ),計(jì)算對沖減壓裝置總的消能率,總壓測壓點(diǎn)如圖10所示,則裝置總的消能率計(jì)算公式如下:

式中:η為消能率;P₁為P₁點(diǎn)總壓;P₂為P₂點(diǎn)總壓。

將四種構(gòu)型的末時(shí)兩點(diǎn)總壓代入式(4)進(jìn)行計(jì)算,得到的消能率如表3所示。

四種結(jié)構(gòu)的消能率相近,都可以有效應(yīng)對上游在1s內(nèi)突增18 Mpa的壓力波動(dòng),因此這幾種結(jié)構(gòu)主要的區(qū)別在于對緩沖室沖蝕及出口壓力平穩(wěn)度等的影響上。

2.3.5壁面承壓

兩股射流束對沖焦點(diǎn)產(chǎn)生的對沖鋒面以很高的速度作用在緩沖室的罐壁上,在四種方案中,噴嘴處的速度最高,帶來的動(dòng)壓壓力與磨蝕損失將會(huì)很不利于緩沖罐的工程化應(yīng)用,而帶有導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的方案可以避免對沖鋒面作用在緩沖室的罐壁上,使射流平緩消散;對比帶有導(dǎo)流器但噴嘴距離不同的三種方案,發(fā)現(xiàn)300間距的方案中經(jīng)過導(dǎo)流器后的射流在噴嘴處的速度較低,且溢出較為均勻。

由圖11觀察四種構(gòu)型的壁面受力云圖,可以發(fā)現(xiàn)不帶導(dǎo)流器的400間距構(gòu)型上,有著明顯的一圈對撞射流沖擊鋒面導(dǎo)致的作用在緩沖室罐體上較為集中的壓力,其余三個(gè)帶導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)罐體受力則較為均勻,但400和350間距的結(jié)構(gòu)在噴嘴邊緣處出現(xiàn)了比較集中且數(shù)值較大的受力,可能是此處射流噴嘴與緩沖室壁面的相交處為直角結(jié)構(gòu),導(dǎo)致湍流區(qū)產(chǎn)生了受力計(jì)算誤差。

因此,可以直觀地認(rèn)為帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)可有效避免對撞射流產(chǎn)生的沖擊鋒面對于緩沖室壁面的沖蝕磨損,同時(shí)能夠使得緩沖室受力分布更加平均,延長疲勞壽命,并且由于載荷均勻且峰值數(shù)值相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)更低,緩沖室的壁厚可以更薄,這能有效降低裝置總重并提升經(jīng)濟(jì)性。

3結(jié)論

通過對不同構(gòu)型對沖減壓器進(jìn)行模擬分析的結(jié)果可知,該裝置四種構(gòu)型均可相對有效地對高壓介質(zhì)進(jìn)行消能減壓,結(jié)構(gòu)簡單,無動(dòng)力部件,相較于傳統(tǒng)的減壓裝置,可以期待它更穩(wěn)定地工作于泥漿環(huán)流系統(tǒng)惡劣的兩相流工況中。

在對沖減壓器的結(jié)構(gòu)迭代中可以發(fā)現(xiàn),相較于無導(dǎo)流器結(jié)構(gòu),有導(dǎo)流器的構(gòu)型在工作時(shí)緩沖室壁面受到的壓力最大值更小,壁面的荷載分布更加均勻,其中噴嘴間距為300 mm且?guī)в袑?dǎo)流器的構(gòu)型消能率最高,為89.1%左右。理論上,帶有導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)相較于無導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)將具有更好的穩(wěn)定性與更長的使用壽命。

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2024年第21期第9篇