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两种高压水喷嘴的数值模拟比较

[摘要]：在高压旋喷工艺中，为了更好地实现固结成桩，从而起到防渗加固的作用，需要选择适当的高压旋喷水喷嘴，这是决定旋喷工艺成功与否的重要环节之一。本文结合流体力学中气液两相流的知识，模拟了A、B两种不同外形的高压旋喷水喷嘴在空气中的射流状态。将数值模拟方法分析出的结果以速度分布图、压力等值线图、湍流动能图、流线图等形式表示出来，通过综合对比得出水喷嘴A成桩过程中能更好的搅拌土体岩石，实现高压旋喷防渗加固的目的。

[关键词]：喷嘴，旋喷，优化，数值模拟

1． 问题背景
我国广阔的地域上分布着众多的河流湖泊，而大江大河的堤坝防渗是不容忽视的一个重
要方面，其关系着人民和国家的利益。为了解决这一问题，采用旋喷注浆技术加强大坝的防漏能起到很好的效果，对于复杂的不稳固地层，旋喷桩起到了有效的支护作用。高压旋喷应用广泛，采用高压旋喷技术能有效处理桥台沉降的问题；将高压旋喷技术应用在地基处理工程中，既能避免大面积开挖，又能形成具有良好防渗性和高强度性的桩体。经岩层注浆和旋喷桩组合治理后部分地基移动变形，下沉量和下沉速率明显下降，治理效果显著。
应用广泛，作用显著的高压旋喷技术中，水喷嘴的选择是其中重要的环节之一，关系着最终成桩的优劣。

2．水气两相流
相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分。在多相流动的研究中通常分别称为固相、液相和气相。两相流就是指物质两相同时并存且具有明显相界面的混合流动。
本文中分析研究的水射流喷嘴是在空气中发生的喷射过程，这一问题属于气液两相流的问题。
2.1两相流基本守恒方程
2.1.1 连续方程
（1）
其中，为控制体，为相的密度，为相的速度。根据质量守恒定律，在运动变化过程中，质量不会消失，两相的连续性方程同样满足质量的收支平衡，脚标1、2分别代表不同相的对应参数值。其具体含义为：在相同的某段时间内，控制体内质量的增加来源于两相从面和流入的物质。
2.1.2 动量方程
（2）
其中，为单位质量流体的彻体力，为对应相的压强张量，脚标1、2分别代表不同相的对应参数值。动量方程的具体意义为：单位时间内控制体内动量的增加由以下几部分构成：通过表面和流入的流体质量所携带的动量；外界施加给面和的应力；外界施加给控制体内各部分的彻体力。
2.1.3 能量方程
（3）
为单位质量相具有的内能；为热流通量，为外界对单位质量的相介质的体加热率。脚标分别取1、2，代表两相的对应参数值。能量方程的含义为，控制体中的总能量的增加来自以下几方面：通过表面流入的质量所增加的内能和动能；外界施加的面作用力和彻体力做的功；外界环境通过表面传入的热；外界对控制体内各部分的体加热。能量守恒方程反映了自然界中的基本规律，能量不会凭空消失，只能从一种能量转移到另一种能量形式。

3．两种水喷嘴模拟的比较
两种水喷嘴采用了水压40MP，入口速度30m/s，保证出口速度维持在150m/s左右进行计算，出口为大气压，喷嘴内为单一水相，喷嘴出口外水气混合。因此，采用模拟软件分析时，视为两相流，采用混合模型进行分析。对模型进行四边形网格的划分，采用二维轴对称结构进行分析。A喷嘴有两个直线段，三个非直线段；B喷嘴有两个直线段，两个非直线段。两种喷嘴出口段圆柱长与出口直径比为3.8，距离喷嘴出口最近的第一个锥段为13度锥角。
本文在数值模拟中，采用混合模型求解。这是一种简化的多相流模型，并且具有一定的应用条件，混合模型用于模拟各相具有不同速度的多相流，并且假定在短空间尺度上局部平衡，也用于模拟有强烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。本文中使用分离求解器，认为只有气相是可压缩的，符合采用混合模型模拟两相流的条件。
3.1喷嘴A模拟分析结果

图1水喷嘴A轴对称模型
3.1.1喷嘴A流线

图2 水喷嘴A流线图
图2为A 类型的水喷嘴的流动轨迹线，从图上可以看出来，喷嘴的结构使得流线具有很好的聚合性，从而能更好的实现将井下的泥沙等杂物卷起并不断扰动土体，为防渗加固提供了很好的保障。
3.1.2 A喷嘴速度分布

图3 A喷嘴速度矢量分布

图4 A喷嘴等速云图分布

图5 A喷嘴速度曲线
从图4的等速云图上能明显看出等速核超出喷嘴约30mm。图5反映的中心轴上速度的最大值出现在靠近喷嘴出口处的位置，在此后研究的区域中心轴位置上的速度递减趋势较慢。喷嘴的特点使得足够的动量能够满足工程上的要求，形成土体的搅拌，更利于成桩直径的加大。

3.1.3 A喷嘴压力分布

图6 A喷嘴静压分布等值线图
图6为用彩色图示表示的混合物的静压，单位为帕斯卡。喷嘴内有一真空度处，距离喷嘴外缘约7mm处，从而更好地保证喷嘴实现水流的喷射。喷嘴内的压力较高，使水射流能
完成工程设计要求。喷嘴外为大气压。

图7 A喷嘴中心轴处静压分布
取图7进行分析，在横坐标位置-10mm~26mm的范围内，即喷嘴内距离喷嘴出口约5mm~15mm的范围存在真空度。能更好的汲取水，不断以较大的能量喷射。

3.1.4A喷嘴湍动能

图8 A喷嘴入口速度50m/s时的湍动能

图9 A喷嘴入口速度30m/s时湍动能
图8和图9的湍动能图中可以看到喷嘴的湍流能量较为集中。为了形成对比，同时分析了入口速度为30m/s 和50m/s两种情况下湍动能的分布情况，分析发现随着速度增大，湍动能在出口能量高且集中的范围增大，这一情况符合能量的变化规律，并且适用于高压旋喷中冲击破碎软地层，从而更好的实现搅拌成桩。

3.2 B喷嘴模拟分析结果

图10水喷嘴B轴对称结构模型
3.2.1 B喷嘴流线图

图11 B型喷嘴流线图
从图11可以看到B型水喷嘴的流线的聚合度仍然较好，这一点不能分析出两种喷嘴的明显区别。

3.2.2 B喷嘴速度分布

图12 B喷嘴速度矢量分布

图13 B喷嘴等速度云图分布

图14 B型喷嘴速度曲线
图13显示B型喷嘴同一横截面上轴线位置处水流的速度最大，向两侧递减，符合喷嘴的流动特点。但是速度云图直观反映出B型喷嘴喷出射流中心范围的等速核明显短于A喷嘴的，尤其是B型喷嘴离开喷嘴外边缘后的等速核部分相比A型喷嘴更短。图14可以看出B喷嘴的速度最大值出现在22mm~35mm之间的横坐标位置处，距离喷嘴出口距离远于A喷嘴的，横坐标从速度最大值轴心位置向右速度衰减增快，其递减幅度明显大于A喷嘴的，说明水射流的喷射能力迅速减弱。因此，从速度分布上分析，B喷嘴在结构方面没有A喷嘴优化。

3.2.3 B喷嘴压力分布

图15 B喷嘴静压分布图

结合图7和图15，可以看到比起A喷嘴来，B型喷嘴内没有明显的真空度位置，压力等值线图中，B喷嘴没有A喷嘴明显负压段，横坐标22mm~分析范围边缘的位置处都为0压即大气压。可见从压力分析的角度也表明B喷嘴没有A喷嘴的汲取水流能力强。

3.2.4 B喷嘴湍动能

图16 B喷嘴入口速度50m/s时的湍动能图

图17 B喷嘴入口速度30m/s时的湍动能图

图17显示B喷嘴在入口速度30m/s的条件下喷出水流后，在气体中具有较大动能的部
位分散，使得集中冲击能力减弱。图16为 B喷嘴入口速度50m/s时的湍动能图，湍动能比较集中，从两图对比可以分析出相同外界条件下，B型喷嘴需要增大初始速度才能实现同A喷嘴相似的湍流动能的集中，可见，B喷嘴比A喷嘴更不容易实现湍流动能的集中释放，且湍动能的最大值要低于A喷嘴的。因此，从湍动能的集中程度及最大值分析，B型喷嘴在结构上没有A型喷嘴优化。

4． 小结

通过利用模拟软件分析，可以得到以下主要结论：
1、 喷嘴A比喷嘴B水射流的等速核长，更容易实现水流的集中喷射。尤其是比较喷嘴出口处的外边缘到外界环境的范围内的等速核，喷嘴A也同样比喷嘴B水射流的等速核长。
2、 A喷嘴内距离喷嘴出口约5mm~15mm的范围存在真空度，而喷嘴B并没有明显的真空度区域，因此喷嘴A能更好地汲取水，从而更具有喷射的源能量。
3、 相比之下，喷嘴A在空气中发生水射流的湍流动能更具有集中释放的能力，并且湍动能分布图上反映出的最高湍动能值要大于喷嘴B的。因此，高压旋喷工艺中喷嘴A具有更好的破坏土体的能力，更能保证足够尺寸的成桩直径。
总之，通过数值模拟分析得出的一系列的结论中可以总结出在实际的高压旋喷防渗工程中应该考虑优选A喷嘴，这样能更好的实现加固防渗的目的。

参考文献：
[1]《多相流及其应用》，车得福，西安交通大学出版社，2007.11。
[2]《高压旋喷桩技术在煤矿立井堵水止砂方面的应用》，河南省焦作规划建筑设计院，方文东，煤矿设计第9期，1998。
[3] 《基于FLUENT的高压水射流喷嘴的流场仿真》，杨国来，兰州理工大学学报第34卷第2期，2008。
[4]《Fluent—流体工程仿真计算实例与应用》，韩占忠等，北京理工大学出版社，2004.6。
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