一种大深度竖井掘进机泥浆环流系统用对冲减压装置的研制

0引言

目前,国内竖井掘进施工中使用的大部分竖井掘进机都搭载了泥浆环流系统,用于高效地输送出渣。但对于竖井掘进工程来说,当超过一定开挖深度时,泥浆介质在重力作用下会产生更大的冲击压力,特别是当输送的泥浆含有大直径颗粒时,常规的增加额外的管路加固措施往往难以在这种工况下长时间工作^[1—2]。因此,开发设计一种能够工作在恶劣固液两相流工况下对抗高水头的管道消能装置,在该应用领域具有重要意义^[3—7]。

本文提出了一种新型的淹没射流对冲减压装置,其可以作为泥浆环流系统的被动式热备减压措施,用作主动减压措施(即泥浆透平)的备份与保障。这种装置能在泥浆环流系统中作为在线式热备,当发生由各种原因如泥浆透平机械故障,或是管路破裂引发泄漏等导致管网内发生水击时,能够自动投入使用而无须等待控制系统响应,缩短反应时间,最大程度上减小事故带来的危害,防止泥浆环流系统因为某一级损坏而导致逐级击穿^[7—12]。此外,该装置还具备结构简单可靠,易于维护,在大含沙量的液体流动环境下结构不易冲刷磨损或是堵塞,能够保持全时段在线等特点。

1对冲减压装置结构

该新型对冲减压装置的主要结构如图1 (a)所示,主要由管段、喷嘴、缓冲室三个部分构成。

工作过程主要分为三个阶段,首先是上游来流介质进入进口段后,先经由耐磨分流板被左右分开进入分流管段,随后在分流管段中改变流径由左右对称布置的对冲喷嘴加速喷出,在缓冲室中产生淹没射流,互相冲击将其携带的动能抵消大部分,最后重新将剩余动能转化为压力能并向下游流动。

如图1(b)所示,当系统处于上游来流压力突增、超过联轴的透平电机泵组最大减压处理能力并触发控制系统限速,或是泥浆透平及电机泵故障等情况下,位于透平电机泵组下方的对冲减压器将无须控制切换,直接伴随突增的压力 自动投入,其响应快,工作原理安全可靠,失效风险低,检修与维护成本较低,可以作为可靠热备长期在线。

2对冲减压器仿真分析

仿真中发现受两股对冲的射流撞击产生的冲击锋面的影响,缓冲器的壁面受到较大局部压力,因此额外增设了一个位于缓冲罐中心的对冲锋面导流器,使其能够将向四周扩散的冲击锋面重新引导至射流对冲的汇聚点进行二次消能,构成了如图2所示的无对冲锋面导流器与有对冲锋面导流器两种方案。

2.1水体模型建立

共计建立四种方案来进行仿真运算,前三个为有对冲锋面导流器减压器但喷嘴间距不同的方案,第四个为喷嘴间距与第三个相同但无对冲锋面导流器减压器的方案,各方案的几何参数取值如表1所示。

网格无关性验证:保持进出口压差1.6MPa(16bar) 时监测出口流量作为验证,在300万网格左右流量趋于稳定,如图3所示。

对各个方案构建如图4所示的流体域,并进行网格划分,综合考虑后采取适应性较好的四面体非结构网格划分法,网格数如表2所示。

2.2 控制方程、边界条件、求解器设置及监测点

数值模拟采用ANSYS—CFX软件平台,湍流模型则选取RNG K—ε模型,采用有限体积法离散N—S方程,近壁区采用标准壁面函数进行处理;压力和速度的耦合采用SIMPLE—C算法;扩散项的离散采用二阶中心差分格式,离散格式采用二阶迎风格式,各控制方程采用二阶离散格式可以减小数值计算截断误差的影响,提高计算精度。

连续性方程:

式中:ρ为流体介质密度;t为时间;u_i表示在坐标x_i上的速度分量;x_i表示坐标分量。

动量方程:

式中:u_i、u_j表示平均速度分量;x_i、x_j表示坐标分量;p为压力;μ为流体介质的动力粘度;S_mi表示动量方程源项,常简化为0。

对于边界条件的设置则是先采用入口1.6 Mpa (16 bar)、出 口0.1 Mpa(1 bar)作为边界条件进行定常计算,然后在定常计算基础上实现瞬态计算。瞬态计算时间步长定为0.01 s,平稳运行1 s后进口压力上升到1.6 Mpa(16 bar),2 s时升高到18 Mpa(180bar),然后保持该数值一直计算到3s,出 口则一直保持0.1 Mpa(1 bar)。入口压力P随时间变化的函数如下所示,瞬态计算总共持续3 s。

式中:P为压力;t为时间。

2.3仿真结果分析

为了验证对冲减压器新构型的设计合理性,并探究介质在对冲减压器内部流动时速度及压强等参数的变化,运用流体仿真软件对不同喷嘴间距的对冲减压器进行流场仿真。

2.3.1静压

图5为装置出口处监测点的静压随时间及进口压力变化的趋势和各监测点布置位置示意图。

当模拟进行到第3s时,装置的压力云图如图6所示。

据图5、图6可以分析得出,对冲消能结构能够有效应对在第1秒时突然增大的进口压力,大部分静压将在射流喷嘴处被转换为动压,通过对冲射流相互抵消速度矢量并将压力能转换为热能,最终被减压后的介质带往下游并逸散至环境中。

并且,根据图6可知,喷嘴间距的差异及结构上有无导流器的不同对于大压力脉冲下的消能效果无明显影响,四种构型的终时出口静压没有较大差别。

当进口压力较低时,整个装置的压损较小,理论上能够作为在线式热备配置在系统中的关键位置,且不会对系统总效率造成较大的影响。

2.3.2流速

图7为装置出口处监测点的流速随时间变化的趋势。

当模拟进行到第3秒时,装置的速度云图如图8所示。

据图8可以看出,有导流器的结构相较于无导流器的结构,出口流速变化较大,这是由进口总压增加带来的总的质量流量上升所导致的,由于流量守恒,所以出口流速有所上升,但是不影响装置总体的减压消能效果。四种结构出口流速的波动范围均维持在30~40 m/s内。在结构上,由图8可以发现,有导流器结构的缓冲室内速度的分布更加均匀,这有助于降低对缓冲室的冲蚀磨损,同时易于更换的导流器结构可作为易损件进行设计,使用上进行定期更换的成本相较于更换缓冲室更具有经济性。

2.3.3湍动能

由图9的四种结构末时湍动能云图可以直观地读出能量的损耗主要发生的位置。在没有导流器的结构中两股射流对撞产生的冲击锋面仍然携带有较大的能量,在向四周扩散的过程中进一步与周围低速介质通过湍流的形式发生能量交换,因此此处被湍流带走的能量相对在缓冲室中总的耗散能量仍占有较大比重。而带有导流器的结构中,两股射流对撞产生的冲击锋面被导流器重新引导回对撞中心,且速度的矢量方向与已经耗散掉的大部分能量被挤出导流器的介质的流动方向相反,再次形成类似对冲消能的效果,由云图可以发现湍动能峰值区域主要集中在导流器内部,因此可以认为导流器能够有效减少对撞射流产生的冲击锋面对缓冲室的冲蚀磨损。

2.3.4消能率

以进出口总压的变化为基础,计算对冲减压装置总的消能率,总压测压点如图10所示,则装置总的消能率计算公式如下:

式中:η为消能率;P₁为P₁点总压;P₂为P₂点总压。

将四种构型的末时两点总压代入式(4)进行计算,得到的消能率如表3所示。

四种结构的消能率相近,都可以有效应对上游在1s内突增18 Mpa的压力波动,因此这几种结构主要的区别在于对缓冲室冲蚀及出口压力平稳度等的影响上。

2.3.5壁面承压

两股射流束对冲焦点产生的对冲锋面以很高的速度作用在缓冲室的罐壁上,在四种方案中,喷嘴处的速度最高,带来的动压压力与磨蚀损失将会很不利于缓冲罐的工程化应用,而带有导流器结构的方案可以避免对冲锋面作用在缓冲室的罐壁上,使射流平缓消散;对比带有导流器但喷嘴距离不同的三种方案,发现300间距的方案中经过导流器后的射流在喷嘴处的速度较低,且溢出较为均匀。

由图11观察四种构型的壁面受力云图,可以发现不带导流器的400间距构型上,有着明显的一圈对撞射流冲击锋面导致的作用在缓冲室罐体上较为集中的压力,其余三个带导流器的结构罐体受力则较为均匀,但400和350间距的结构在喷嘴边缘处出现了比较集中且数值较大的受力,可能是此处射流喷嘴与缓冲室壁面的相交处为直角结构,导致湍流区产生了受力计算误差。

因此,可以直观地认为带有导流器的结构可有效避免对撞射流产生的冲击锋面对于缓冲室壁面的冲蚀磨损,同时能够使得缓冲室受力分布更加平均,延长疲劳寿命,并且由于载荷均匀且峰值数值相较于无导流器的结构更低,缓冲室的壁厚可以更薄,这能有效降低装置总重并提升经济性。

3结论

通过对不同构型对冲减压器进行模拟分析的结果可知,该装置四种构型均可相对有效地对高压介质进行消能减压,结构简单,无动力部件,相较于传统的减压装置,可以期待它更稳定地工作于泥浆环流系统恶劣的两相流工况中。

在对冲减压器的结构迭代中可以发现,相较于无导流器结构,有导流器的构型在工作时缓冲室壁面受到的压力最大值更小,壁面的荷载分布更加均匀,其中喷嘴间距为300 mm且带有导流器的构型消能率最高,为89.1%左右。理论上,带有导流器的结构相较于无导流器的结构将具有更好的稳定性与更长的使用寿命。

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2024年第21期第9篇