夏毅敏，王洋，吳遁，秦邦江，楊端，姚菁

(1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；

2. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 中鐵十四局隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南，250013；4. 中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410100)

泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)管道輸送特性

夏毅敏1,2，王洋1,2，吳遁3，秦邦江4，楊端1,2，姚菁1,2

(1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；

2. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 中鐵十四局隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南，250013；4. 中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410100)

為研究泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)管道輸送特性，根據(jù)實(shí)際施工情況確定操作參數(shù)(管道入口流速vi、石碴粒徑d、石碴體積分?jǐn)?shù)φ、漿液黏度μ和密度ρ)的選取范圍，采用流體力學(xué)軟件與離散元軟件耦合方法建立管道內(nèi)石碴運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)仿真研究5個(gè)操作參數(shù)對(duì)環(huán)流系統(tǒng)管道壓力損失Δp和石碴群輸送速度vs的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：vi對(duì)環(huán)流系統(tǒng)管道輸送速度影響最大；增大vi與φ給環(huán)流系統(tǒng)帶來(lái)較大的壓力損失；增大vi和ρ能夠有效提升管道內(nèi)石碴輸送速度；當(dāng)漿液密度從ρ=1.0 g/cm3增大至1.2，1.4和1.6 g/cm3時(shí)，Δp增幅分別為7.0%，17.0%和26.0%，石碴群輸送速度vs增幅分別為18.0%，30.0%和39.5%，vs增幅大于Δp增幅；Δp隨vi和φ的增大而增大，且vi對(duì)Δp的影響程度大于φ對(duì)Δp的影響程度；仿真模型中石碴運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際工程具有一致性。

泥水盾構(gòu)；環(huán)流系統(tǒng)；顆粒運(yùn)動(dòng)特性

泥水盾構(gòu)廣泛應(yīng)用于穿江、越河、跨海等隧道建設(shè)工程[1?5]，其環(huán)流系統(tǒng)是碴料輸送的核心系統(tǒng)，主要由管道、泵、閥門(mén)等構(gòu)成，其中水平段管道總長(zhǎng)占總管道長(zhǎng)度90%以上。在卵石地層掘進(jìn)過(guò)程中，環(huán)流系統(tǒng)容易出現(xiàn)管道堵塞、異常磨損、排漿泵攜碴能力不足等現(xiàn)象，掌握環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)碴土的輸送特性對(duì)盾構(gòu)機(jī)高效與可靠掘進(jìn)具有重要的工程意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)管道中顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律開(kāi)展了大量相關(guān)研究，如：VLASAK等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了管道中流體流速和顆粒濃度對(duì)管道壓力損失和流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)管道壓力損失隨著顆粒濃度增加而增大；QIU等[7]結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)與離散元方法建立了水中單顆粒與多顆粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性；SILVA等[8]基于低雷諾數(shù)方程和Schiller Naumann曳力修正建立高濃度條件下固液兩相流中固體顆粒的數(shù)值模型；RAVELET等[9]根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水平管道中顆粒粒徑與密度對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)具有重要的影響，并對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正；LI等[10]設(shè)計(jì)了一種測(cè)試密相氣力輸送的集成靜電傳感器，得到固體顆粒流動(dòng)特性主要取決于顆粒和輸送氣體的物理性質(zhì)；ZHU等[11]基于計(jì)算流體力學(xué)，分析了入口速度、顆粒直徑與體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)彎管壓力場(chǎng)、流速和沖蝕速率的影響；周知進(jìn)等[12]研究了垂直管道中顆粒組分對(duì)輸送速度的影響；曹斌等[13?14]提出了大粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)界定指標(biāo)，并研究了流速、粗顆粒粒徑和體積濃度等對(duì)堵管現(xiàn)象的影響；陶賀等[15]采用離散單元法研究橢球形顆粒在移動(dòng)床內(nèi)的流動(dòng)特性，得到不同摩擦因數(shù)下移動(dòng)床內(nèi)顆粒物性對(duì)流型、空隙率分布以及顆粒分離的情況；WANG等[16]運(yùn)用歐拉?歐拉雙流體模型研究不同流速下固液兩相流化床中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度以及體積分?jǐn)?shù)；HE等[17]使用電化學(xué)技術(shù)研究顆粒粒徑對(duì)管道腐蝕特性的影響；CHEN等[18]基于 ANSYS FLUENT與離散元軟件EDEM分析了45°，60°和90°彎管的磨損速率和磨損位置；ZHANG等[19]使用CFD-DEM 方法研究了管道與沙粒的沖刷機(jī)制；徐海良等[20]使用ANSYS FLUENT模擬了深海開(kāi)采系統(tǒng)中管道的水力輸送過(guò)程。在上述研究中，被研究管道內(nèi)的固體顆粒粒徑d一般較小(d＜50 mm)，且針對(duì)泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)方面的研究較少。為此，本文作者以泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)排漿段水平直管為研究對(duì)象，采用流體力學(xué)軟件與離散元方法聯(lián)合分析泥水盾構(gòu)中操作參數(shù)(管道入口流速vi、石碴粒徑d、石碴體積分?jǐn)?shù)φ、漿液密度ρ、漿液黏度μ)對(duì)環(huán)流系統(tǒng)壓力損失Δp與石碴群輸送速度vs的影響規(guī)律。

1 泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)水平管道巖碴輸送數(shù)值模型

環(huán)流系統(tǒng)管道輸送模型主要由液相流動(dòng)模型與固相運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)成。為了保證計(jì)算結(jié)果的正確性，進(jìn)行以下假設(shè)：1) 液相為不可壓縮的、連續(xù)的流體，固相為可壓縮的、離散的固體；2) 固相石碴群粒徑均勻且近似球形；3) 考慮石碴對(duì)液相的影響，但不考慮石碴破裂的影響。

1.1 液相流動(dòng)模型

液相流動(dòng)模型由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程構(gòu)成，在連續(xù)性與動(dòng)量方程中需要考慮固相所占體分?jǐn)?shù)ε，以及固液兩相間相互作用力S，得到如下方程。

連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

式中：ρf為液體密度；ε為體積分?jǐn)?shù)；uf為液體流速；g為重力；μ為黏性；S為動(dòng)量匯，其代表流體的阻力F的總和。

1.2 固相運(yùn)動(dòng)模型

將固體石碴作為離散相時(shí)，石碴運(yùn)動(dòng)受力符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律。石碴與管壁和石碴間的碰撞采用軟球模型，考慮流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到水流拖曳力、水流上舉力等影響，建立單石碴的受力模型與石碴群的受力平衡方程。

1) 單個(gè)石碴受力模型為

2) 石碴群受力模型為：

式中：msg為重力；Fdrag為水流拖拽力；Fa為附加質(zhì)量力；Fp為壓力梯度力；FS為Saffman力；FB為Basset力；FM為Magnus力；FC為石碴群接觸力。

1.3 模型操作參數(shù)的選取及建立

由現(xiàn)場(chǎng)確定環(huán)流系統(tǒng)中操作參數(shù)選取范圍如下：根據(jù)排漿管流量Q為250～1 300 m3/h，可以求得管道入口流速范圍vi為1～6 m/s，現(xiàn)場(chǎng)石碴粒徑d為20～60 mm，石碴密度ρ=2.3 g/cm3；根據(jù)施工地層中石碴體積分?jǐn)?shù)為60%左右，求得環(huán)流系統(tǒng)管道中石碴群體積分?jǐn)?shù)φ為1%～8%，管道中漿液密度ρ為1.0～1.5 g/cm3，漿液黏度μ為20～60 mPa·s。管道入口設(shè)為速度入口，管道出口設(shè)為壓力出口，管道網(wǎng)格使用六面體單元，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為30 mm，管道直徑為300 mm，長(zhǎng)度為5 m，共劃分網(wǎng)格單元32 448個(gè)，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。在軟件中直接選用帶旋流修正的k?ε流場(chǎng)模型，采用Phase Coupled Simple算法進(jìn)行求解，收斂精度設(shè)定為1×10?4，建立仿真模型。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真結(jié)果

當(dāng)管道入口流速vi=3 m/s，石碴體積分?jǐn)?shù)φ=1%，石碴群粒徑d=20mm，漿液密度ρ=1.2 g/cm3，漿液黏度μ=20 mPa·s時(shí)，管道沿水平方向壓力分布和石碴沿水平方向的速度如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知：管道入口處壓力較高，隨著管道長(zhǎng)度延長(zhǎng)，壓力呈近似線性下降，當(dāng)石碴群剛進(jìn)入管道時(shí)運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，在石碴群重力和摩擦力作用下，管道內(nèi)石碴群運(yùn)動(dòng)速度逐步下降并趨于穩(wěn)定。根據(jù)管道進(jìn)出口截面平均壓力差可獲得管道壓力損失Δp，統(tǒng)計(jì)石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度可獲得輸送速度vs。

圖1 vi=3 m/s時(shí)管道沿水平方向壓力分布Fig. 1 Pipeline pressure distribution along the horizontal direction when entrance velocity is 3 m/s

圖2 vi=3 m/s時(shí)石碴群沿水平方向的速度分布Fig. 2 Ballast transportation velocity along the horizontal direction when entrance velocity is 3 m/s

2.2 不同參數(shù)對(duì)水平直管壓力損失與石碴群輸送速度的影響規(guī)律

2.2.1 管道入口速度vi的影響

入口流速vi對(duì)環(huán)流系統(tǒng)管道壓力損失Δp和石碴輸送速度vs的影響規(guī)律分別見(jiàn)圖3和圖4。

由圖3和圖4可知：隨著入口流速增加，管道壓力損失增大，石碴群輸送速度提高，石碴群輸送狀態(tài)趨于平穩(wěn)。當(dāng)vi從1.0 m/s增大到3.0 m/s時(shí)，Δp從0.830 kPa增大到2.823 kPa，Δp增加了1.993 kPa；當(dāng)vi從3.0 m/s增大至4.5 m/s時(shí)，Δp從2.823 kPa增大到5.623 kPa，Δp增大了2.800 kPa，后者增幅是前者增幅的1.4倍多；當(dāng)vi從1.0m/s增大到3.0 m/s時(shí)，vs從0.12 m/s增大至2.03 m/s；隨著vi增大至4.5 m/s，vs也增大到 3.72 m/s，石碴與漿液間的速度落差率(|vi?vs|/vi)由最初的0.88縮小至0.17，且隨著管道入口流速增大，石碴群進(jìn)入平穩(wěn)輸送時(shí)間也大大縮短。可見(jiàn)：增大管道入口流速能有效地提升石碴群輸送速度，促進(jìn)石碴運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，但同時(shí)會(huì)給環(huán)流系統(tǒng)帶來(lái)較大的壓力損失，需要增大泥漿泵的功率。

圖3 入口流速vi與壓力損失Δp的關(guān)系Fig. 3 Relationship between entrance velocity and pressure loss

圖4 不同入口流速vi下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度vFig. 4 Average motion speed of ballast at different entrance velocities

2.2.2 顆粒粒徑d的影響

不同石碴粒徑d對(duì)環(huán)流系統(tǒng)管道壓力損失Δp和石碴群輸送速度vs的影響規(guī)律分別如圖5和圖6所示。

圖5 顆粒粒徑d與壓力損失Δp的關(guān)系Fig. 5 Relationship between ballast sizeand pressure loss

圖6 不同粒徑d下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度vFig. 6 Average motion speed of ballast at different sizes

由圖5可知：管道內(nèi)壓力損失隨著石碴粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)；在石碴體積分?jǐn)?shù)不變情況下，粒徑的增大會(huì)使得石碴數(shù)量大大減少，從而降低了石碴對(duì)管道壓力損失的影響；當(dāng)d從20 mm增大到60 mm時(shí)，Δp從2.823 kPa增大到3.409 kPa，Δp增大了0.586 kPa；當(dāng)d從60 mm增大到80 mm時(shí)，Δp從3.409 kPa增大到3.664 kPa，Δp增大了0.255 kPa；與入口流速 vi相比，石碴粒徑 d對(duì)管道壓力損失 Δp的影響明顯較小。由圖6可知：增大石碴粒徑d會(huì)大大降低石碴群的輸送速度，促使石碴群輸送狀態(tài)趨于不穩(wěn)定；當(dāng)石碴粒徑d從20 mm增大到60 mm，vs從2.03 m/s降低到1.81 m/s，速度降低0.22 m/s；當(dāng)d增大至80 mm后，vs從1.81 m/s降低到1.45 m/s，速度又降低0.36 m/s?？梢?jiàn)：石碴粒徑越大，石碴群輸送速度下降幅度越大。因此，大粒徑石碴不利于環(huán)流系統(tǒng)管路輸送，其運(yùn)動(dòng)的滯后性容易造成管路堵塞等不良現(xiàn)象，在實(shí)際施工中需要嚴(yán)格控制石碴粒徑。

2.2.3 石碴體積分?jǐn)?shù)φ的影響

石碴體積分?jǐn)?shù)φ對(duì)管道壓力損失Δp和石碴群輸送速度vs的影響規(guī)律分別如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可知：隨著石碴體積分?jǐn)?shù)增大，管道的壓力損失大幅度增大，而石碴群輸送速度只出現(xiàn)小幅度改變，石碴群輸送狀態(tài)基本不變；當(dāng)φ從1%增大到5%時(shí)，Δp從2.823 kPa增大到6.680 kPa，Δp增大3.857 kPa；而當(dāng)φ從5%增大到8%時(shí)，Δp從6.680 kPa增大到10.336 kPa，Δp增大了7.513 kPa，石碴群體積分?jǐn)?shù)φ的改變會(huì)環(huán)流系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)大的管道壓力損失；石碴體積分?jǐn)?shù)的增大對(duì)輸送速度的影響不大，當(dāng)φ從1%增長(zhǎng)到5%時(shí)，vs由2.03 m/s變?yōu)?.00 m/s，輸送速度vs的變化在實(shí)際工程中可以忽略不計(jì)。因此，在排漿泵功率足夠的情況下可以增大盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，從而有效提高掘進(jìn)效率。

2.2.4 漿液黏度μ的影響

圖7 石碴體積分?jǐn)?shù)φ與壓力損失Δp的關(guān)系Fig. 7 Relationship between ballast volume fraction and pressure loss

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)φ下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度vFig.8 Average motion speed of ballast at different ballast volume fraction

漿液黏度μ對(duì)管道壓力損失Δp和石碴群輸送速度vs的影響規(guī)律分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知：增大漿液黏度會(huì)增加管道壓力損失，小幅度提高石碴群輸送速度；對(duì)比前述的3個(gè)變量，漿液黏性對(duì)管道壓力損失的影響最??；當(dāng)μ從1 mPa·s增大至20 mPa·s時(shí)，Δp從 1.895 kPa增大到2.823 kPa，Δp 增加了 0.928 kPa；當(dāng) μ 從 20 mPa·s增大至 60 mPa·s時(shí)，Δp從2.823 kPa增大到3.410 kPa，Δp只增加了0.587 kPa，增長(zhǎng)幅度較小；當(dāng) μ從 1 mPa·s增大到100 mPa·s時(shí)，vs由 2.13 m/s變?yōu)?2.31 m/s，增大了0.18 m/s。在實(shí)際使用過(guò)程中，黏度μ能夠調(diào)節(jié)的范圍不大，如工程實(shí)際中漿液黏度μ取值范圍一般在20～60 mPa·s，因此，增大漿液黏度μ能夠提高環(huán)流系統(tǒng)輸送效率，但作用不明顯。

圖9 漿液黏度μ與壓力損失Δp的關(guān)系Fig. 9 Relationship between slurry viscosity and pressure loss

圖10 不同黏度μ下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度vFig. 10 Average motion speed of ballast at different slurry viscosity

2.2.5 漿液密度ρ的影響

漿液密度ρ對(duì)管道壓力損失Δp和石碴群輸送速度 vs的影響規(guī)律分別如圖 11和圖12所示。從圖11可知：增大漿液密度會(huì)小幅度地增大管道壓力損失；當(dāng)ρ從1.0 g/cm3增大到1.2 g/cm3時(shí)，Δp從2.647 kPa增大到2.823 kPa，Δp增加了0.176 kPa；當(dāng)ρ從1.2 g/cm3增大到1.4 g/cm3時(shí)，Δp從2.823 kPa增大到3.088 kPa，Δp增加了0.265 kPa。從圖12可知：增大漿液密度能夠有效地提高石碴群輸送速度，提高石碴群輸送的平穩(wěn)性；當(dāng)ρ從1.0 g/cm3增大到1.2 g/cm3時(shí)，vs從1.72 m/s增加到2.03 m/s，vs增加了0.31 m/s；當(dāng)ρ從1.2 g/cm3增大到1.4 g/cm3時(shí)，vs從2.03 m/s增大到2.24 m/s，vs增加了0.21m/s。與漿液黏度的作用相同，增大漿液密度能使環(huán)流系統(tǒng)在損失較小能量情況下獲得較高的輸送速度，但比漿液黏度更為明顯。因此，在條件允許的情況下應(yīng)將增大漿液密度作為首選改變參數(shù)。

圖11 漿液密度ρ與壓力損失Δp的關(guān)系Fig. 11 Relationship between slurry density and pressure loss

圖12 不同密度ρ下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度vFig. 12 Average motion speed of ballast at different slurry densities

綜上所述，對(duì)壓力損失 Δp的影響從小至大的 5個(gè)參數(shù)分別為 vi，φ，d，μ和 ρ；對(duì)石碴群輸送速度vs的影響參數(shù)從大至小分別為vi，d，ρ，μ和φ。操作參數(shù)中對(duì)環(huán)流系統(tǒng)輸送最不利的因素是石碴粒徑 d，粒徑d的增大會(huì)大大降低管道內(nèi)石碴輸送速度。其次為石碴體積分?jǐn)?shù)φ，增大石碴體積分?jǐn)?shù)φ會(huì)給環(huán)流系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)大的壓力損失。增大入口流速vi能明顯地改善石碴群輸送速度，但會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較大的壓力損失。對(duì)石碴輸送較為有利的操作參數(shù)是漿液密度ρ和黏度μ，其中密度ρ變大更有利于環(huán)流系統(tǒng)輸送。

3 仿真結(jié)果工程驗(yàn)證

3.1 操作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)壓力損失的影響規(guī)律工程驗(yàn)證

以某穿黃河工程泥水盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)為據(jù)，某掘進(jìn)環(huán)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度為20 mm/min，排漿管流量為790～1 050 m3/h，讀取壓力計(jì)獲得泥水盾構(gòu)工作倉(cāng)至排漿泵P2.1泵出口段的壓力損失變化規(guī)律，如圖 13所示。當(dāng)排漿管的流量控制在1 100 m3/h時(shí)，在不同推進(jìn)速度下(取10，20，30和40 mm/min)，泥水盾構(gòu)工作倉(cāng)至排漿泵 P2.1泵出口段的壓力損失變化規(guī)律如圖 14所示。圖13和圖14中工程結(jié)果壓力損失取值范圍為(0.5～1.6)×105Pa，仿真結(jié)果壓力損失取值范圍為(0.003～0.15)×105Pa。這是因?yàn)樵诜抡娣治鲋幸? m長(zhǎng)直管作為研究對(duì)象，而工程中數(shù)據(jù)采樣對(duì)象為泥水盾構(gòu)工作倉(cāng)至排漿泵P2.1泵出口段，該區(qū)間段管道直線距離約為30 m，因而工程結(jié)果管道壓力損失Δp會(huì)遠(yuǎn)大于仿真值。從圖13和14可看出：環(huán)流系統(tǒng)壓力損失的仿真結(jié)果和工程實(shí)際結(jié)果變化趨勢(shì)具有一致性，Δp隨vi和φ的增大而增大；當(dāng)Δp在vi增大到一定時(shí)出現(xiàn)增長(zhǎng)拐點(diǎn)，且vi對(duì)Δp的影響程度大于φ對(duì)Δp的影響。

圖13 Δp?vi工程結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig. 13 Comparison of engineering pressure loss and simulation results at different entrance velocities

圖14 Δp ?φ工程結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig. 14 Comparison of engineering pressure loss data and simulation results at different ballast volume fraction

3.2 石碴群運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證

在施工中發(fā)現(xiàn)石碴群在管道中的輸送過(guò)程會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁面造成磨損，因而，通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)磨損區(qū)域位置可以確定石碴的運(yùn)動(dòng)范圍。將其與仿真中石碴運(yùn)動(dòng)軌跡相比，便能驗(yàn)證仿真模型的正確性。由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到：水平直管主要磨損區(qū)域集中于管道底部，這與仿真模型中得到的石碴群主要在管道底部作推移運(yùn)動(dòng)的結(jié)論具有一致性。其次，對(duì)直管磨損區(qū)域進(jìn)行測(cè)量能夠得到石碴群的堆積高度，由此可以判斷石碴群的體積分?jǐn)?shù)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得直管出口處(此處磨損較小)磨損區(qū)域最大寬度為251.0 mm，在相同工況、相同位置下，得到石碴群此處的大堆積寬度為249.5 mm，兩者僅相差0.6%，因此，仿真模型中石碴運(yùn)動(dòng)工況與實(shí)際輸送具有一致性。

通過(guò)仿真得到 P2.1泵出口彎管內(nèi)石碴群運(yùn)動(dòng)軌跡如圖15所示。從圖15可知：彎管頂部?jī)?nèi)壁處石碴碰撞次數(shù)明顯比底部的碰撞次數(shù)多。在P2.1泵出口彎管的頂部和頂部分別布置測(cè)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用 TT3000型號(hào)超聲波測(cè)量?jī)x測(cè)得 P2.1泵出口彎管頂部和底部的壁厚。現(xiàn)有測(cè)試彎管其頂部設(shè)計(jì)壁厚為20 mm，底部設(shè)計(jì)壁厚為15 mm，根據(jù)表1中壁厚測(cè)量值可知管道頂部測(cè)點(diǎn)1處磨損量大于管道其余測(cè)點(diǎn)的磨損量，頂部所有測(cè)點(diǎn)的磨損量均大于底部測(cè)點(diǎn)的磨損量，底部測(cè)點(diǎn)4處磨損量大于底部其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)磨損量，由此也驗(yàn)證了仿真模型中石碴的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際輸送中的運(yùn)動(dòng)軌跡具有一致性。

圖15 管道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 15 Ballast trajectory in pipeline

表1 P2.1泵出口彎頭管道壁厚Table 1 Elbow wall thickness connected with P2.1 pump discharge mm

4 結(jié)論

1) 在5個(gè)操作參數(shù)中，對(duì)壓力損失增幅較大的是入口流速vi與石碴體積分?jǐn)?shù)φ，對(duì)石碴群輸送速度vs提升較大的是入口流速vi與漿液密度ρ。當(dāng)ρ=1.0，1.2，1.4，1.6 g/cm3時(shí)，Δp增幅分別為7%，17%和26%，vs增幅分別為18.0%，30.0%和39.5%，速度增幅大于壓力損失增幅。對(duì)比操作參數(shù)對(duì)管道內(nèi)壓力損失 Δp的影響，影響程度由小至大的參數(shù)分別為vi，φ，d，μ和ρ；對(duì)石碴群輸送速度vs的影響參數(shù)從大至小分別為 vi，d，ρ，μ和φ。

2) 管路壓力損失變化趨勢(shì)的工程結(jié)果與仿真結(jié)果具有一致性，壓力損失隨入口流速與石碴群體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，且速度對(duì)壓力損失的影響大于體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力損失的影響。

3) 5 m長(zhǎng)水平直管出口處石碴群最大堆積寬度為249.5 mm，與實(shí)際測(cè)量管道磨損區(qū)域?qū)挾?251.0 mm相差0.6%。P2.1泵出口彎管內(nèi)石碴群運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際測(cè)得彎管壁厚變化趨勢(shì)相一致，彎管底部壁厚均大于頂部壁厚，彎管頂部測(cè)點(diǎn)1處壁厚度小于其他測(cè)點(diǎn)處厚度。

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Transport characteristics of shield slurry system

XIA Yimin1,2, WANG Yang1,2, WU Dun3, QIN Bangjiang4, YANG Duan1,2, YAO Jing1,2

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University,Changsha 410083, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3. China Railway 14th Bureau Group of the Tunnel Engineering Co. Ltd., Jinan 250013, China;4. China Railway Construction Group Co. Ltd., Changsha 410100, China)

To study the pipeline transport characteristics of slurry shield circulation system and determine the selection range of the operation parameters (pipeline entrance velocity vi, ballast size d, ballast volume fraction φ, slurry viscosityμ and slurry density ρ) according to the practical construction situation, the simulation model of ballast motion characteristics was built by using CFD software coupled with discrete element software. The influence of five operating parameters on fluid pressure loss Δp in pipe and average ballast transportation velocity vswas obtained through the simulation. The results show that the pipeline entrance velocity vihas the greatest impact on the pipeline transport characteristics of the shield slurry circulation system. The increase of the entrance velocity viand the ballast volume fraction φ bring excessive pressure loss to the circulation system. The increase of entrance velocity viand the slurrydensity ρ can effectively improve the transportation velocity of the ballast group in the pipeline. When the slurry density ρ increases from 1.0 g/cm3to 1.2, 1.4 and 1.6 g/cm3, the pressure loss Δp increases by 7%, 17% and 26%, and the ballast transportation velocity vsincreases by 18.0%, 30.0% and 39.5%, respectively. The increment of transportation velocity is larger than that of the pressure loss. The pressure loss increases with the increase of the entrance velocity and the ballast concentration, and the influence of entrance velocity on the pressure loss is greater than that on ballast volume fraction.And the movement trajectory of the ballast in the simulation model is consistent with the actual movement trajectory.

slurry shield; slurry system; particle motion characteristics

U45

A

1672?7207(2017)11?2889?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.007

2016?12?10；

2017?03?05

湖南省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2014FJ1002)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA041803) (Project(2014FJ1002)supported by the Major Science and Technology Program of Hunan Province; Project(2012AA041803) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

夏毅敏，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事流體傳動(dòng)技術(shù)、大型掘進(jìn)裝備設(shè)計(jì)方法研究；E-mail: xiaymj@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)