泥水分离用水力旋流器的数值模拟

近年来，随着经济和社会的发展，世界各地跨江越海隧道、地铁及地下通道大量兴建，泥水盾构系统得到越来越广泛地应用[1-2]。作为泥水盾构系统中主要部分泥水分离处理直接影响施工进度和施工质量，是确保开挖面稳定、防止地表隆沉及排渣的重要手段[3-4]。工程上通常选用沉淀池和机械分离相结合的泥水处理方案，以充分利用沉淀池分离费用低，机械分离系统效率高，占地小的优点[5-6]。目前，国内盾构机生产系统配套的泥水处理设备发展缓慢，地下工程多是直接使用国外的泥浆处理系统，不但价格昂贵，而且使用操作全靠经验，处理效果往往达不到预期，进而影响施工进度[7-9]。某隧道工程泥水盾构系统采用国外进口的泥水处理系统，在施工过程中水力旋流器未达到预期效果，导致固体泥颗粒的筛分效果差，泥浆循环效率低，从而影响施工进度。从公开发表的文献资料来看，对泥水分离用水力旋流器性能研究的报道较少[10-15]。因此，笔者以盾构系统泥水分离用水力旋流器为研究对象，利用计算流体动力学模拟方法对泥水分离用水力旋流器的性能及影响因素进行研究，对比分析了操作参数和物性参数对水力旋流器分离效率和压降的影响规律，以期为地下工程泥水分离的处理提供理论指导。

1　数值模拟方法

1.1　几何模型和网格划分

某隧道工程泥水盾构系统所用的水力旋流器如图1所示。泥水混合物经切向入口进入水力旋流器环形空间并形成强旋转流动，在离心力的作用下，固体泥颗粒向筒壁运动，水相向中心流动，分离出的泥颗粒和部分水从底流口流出，大部分澄清水从顶部溢流口流出。水力旋流器尺寸大小如表1所示。为了降低数值耗散并提高计算速度，通过Gambit软件并采用分块结构化网格对计算区域进行离散。划分网格时，首先把计算区域划分为多个规则的子块，用六面体的Hex方式生成有序的六面体结构化网格，每个子块均根据流动变化的剧烈程度控制其网格的疏密程度，以在保证流动不受网格数量影响的条件下节省计算时间。计算时以溢流管入口中心作为坐标原点，竖直向上为z轴正方向。采用4种网格数量对水力旋流器内的流场进行模拟计算，结果如图1(c)所示。由图1(c)可以看出，当网格数量超过20万以后，进一步增加网格数量对数值模拟结果影响不大。因此，从保证计算精度和节省计算时间的角度出发，模拟计算中所有模型均采用25万左右的网格单元数。

于试验鹅70日龄清晨8:00（此前禁食12 h，自由饮水），以重复为单位称重。从每个重复中随机挑选2只接近平均体重的试验鹅，翅静脉采血，颈静脉放血屠宰。

图1　水力旋流器结构和网格划分示意图 Fig.1　The schematic diagram of structure and mesh topology

表1　水力旋流器结构尺寸

Table 1　Geometrical dimensions of hydrocyclone

筒体直径D/mm进料口直径de/mm溢流管直径do/mm溢流管插入深度L/mm底流口直径du/mm筒体高度H/mm锥体高度h/mm230407810040300800

1.2　计算方法和边界条件

由于泥浆内固体泥颗粒的体积分数不低于10%，因此采用欧拉两相流模型对水力旋流器内的泥浆流动进行模拟[16-17]。考虑到水力旋流器内的流动为湍流状态下的三维强旋转流动，具有强烈的各向异性，因此采用从湍流各向异性出发的雷诺应力模型封闭方程组。忽略流体的密度脉动、颗粒质量变化率的脉动以及非定常关联项，并将泥水两相各方程中的扩散项统一地表示成梯度的形式，则两相流模型中各相的控制方程组可以统一表示为：

(1)

式中：φ为通用变量，代表速度u、v以及w等求解变量；k为流体相或固体相；βk为k相的体积分数；φk为k相的某物理量，如速度分量、雷诺剪切应力和湍动能耗散率等；Γφk为k相内部的输运系数；Sφk为源项，包括k相自身的源项以及k相与其他相之间相互作用的源项。

分别采用水和固体泥颗粒作为液固两相介质，设置水的密度和动力黏度分别为998.2 kg/m3和1.003 mPa·s；设置固相泥颗粒的密度为2 500 kg/m3，动力黏度为1.7 mPa·s，根据实际情况给定颗粒的中位粒径为75 μm。水力旋流器入口设为速度入口边界，根据实际生产工况给定入口速度为10.6 m/s和泥浆质量分数为10%；水相出口和固相出口设为充分发展的自由出流边界，根据实际操作情况给定溢流口和底流口的分流比为30%；固体壁面设为无滑移的固壁边界条件，通过标准壁面函数法确定固壁附近的流动。计算时，采用QUICK差分格式离散各控制方程的对流项，压力方程和速度方程的耦合选用SIMPLEC算法。

方程组(1)加上一些构成源项和输运系数的模型方程就构成了双流体模型的封闭控制方程组[18]。

在当代企业管理中，合规管理和风险管理的重要性日益凸显，要实现合规管理目标，提升合同管理水平是重要的途径。合同管理既涉及内部控制流程，又涉及对外经营，贯穿企业经营的始终，通过合同管理的提升，不仅能促进企业内部流程优化，更能全面提升企业运营效能。

保持其他参数不变，溢流管插入深度对水力旋流器内速度分布和分离性能的影响如图5所示。从图5(a)可以看出，溢流管插入深度对水力旋流器内切向速度和轴向速度的分布影响不大，所以水力旋流器内的压降随溢流管插入深度变化不大，如图5(b)所示。随着溢流管插入深度的增大，可以避免短路流，减少通过短路流中直接进入溢流管的颗粒，从而使分离效率随着溢流管插入深度的增大逐渐增大；但溢流管插入深度过大会使内旋流高度减小，从而缩短颗粒在水力旋流器内的停留时间，因此当溢流管插入深度超过100 mm后，分离效率有所下降，因此，溢流管直径取为100 mm。

2　结果与分析

2.1　水力旋流器内的流动特性

水力旋流器内的流场分布特性如图2所示。从图2(a)中可以看出，水力旋流器内的流场基本呈轴对称分布，从中心到边壁速度沿径向先逐渐增大后逐渐减小。在筒体部分，最大速度包络面为一圆柱面，其直径与溢流管直径基本一致；在锥体部分，最大速度包络面为一圆锥面，其锥角与圆锥接近。从图2(b)中可以看出，水力旋流器内的切向速度呈中心强制涡、周围自由涡的分布形态，最大切向速度的径向位置与最大速度包络面一致；轴向速度呈中心上行流、周围下行流的分布形态，在锥体下部流体基本呈下行流分布。由切向速度和轴向速度分布可知，水力旋流器内的流动呈现外部下行、内部上行的双涡分布特征，因此水力旋流器内的静压呈中心低、外部高的对称分布，如图2(c)所示。从图2(d)中可以看出，泥水混合物进入水力旋流器之后，在离心力的作用下固体泥颗粒被甩到壁面，分离效果较好，但是分离后的泥颗粒粘附在锥体壁面附近，容易引起堵塞，从而降低分离效果。

图2　水力旋流器内宏观流动特性 Fig.2　The macroscopic flow characteristics in hydrocyclone

2.2　结构参数对内部流场和分离性能的影响

2.2.3　筒体高度的影响

粮食作为人类日常所必须的基础需要，无论人类身处何处，都会定期消耗一定的粮食，且个体粮食消耗量具有明显的规律性。当前人口密集区域的粮食产量远远不能满足自身需求，大部分粮食供应源于跨区域的运输，而国内主要产粮区域固定，且成片分布，一旦这些区域被摧毁，将面临国内几乎无粮可用的局面，对我国的粮食安全将产生极大的威胁，不利于维护社会稳定。

如果函数在［a，b］上连续，它的最大值和最小值分别是M和m，那么函数的值域是〔m，M〕〔4〕142。若函数y=f（x）在闭区间［a，b］上可导，最大值和最小值可从驻点的函数值及f（a）、f（b）中寻求。

保持其他参数不变，进口料直径对水力旋流器内的速度分布和分离性能的影响如图3所示。从图3(a)中可以看出，不同进料口直径下水力旋流器内的速度分布形态基本相同，呈内部上行、外部下行的双涡分布；随着进料口直径的逐渐增大，入口速度减少，水力旋流器内流体获得的旋转动量减少，因此切向速度随着进料口直径的增大逐渐减小；由于流量不变，因此轴向速度随进料口直径变化不大。虽然切向速度减小，颗粒获得的离心加速度降低，但水力旋流器的分离能力变化不大，反而随着进料口直径的增大，分离效率略有升高，当进料口直径超过50 mm后，颗粒的离心沉降速度小于其终端沉降速度，分离效率随着进料口直径的增大逐渐减小，如图3(b)所示。分析可知，过大的离心加速度容易使粘性固体泥颗粒粘附在壁面，降低其流动性，因此适度增大进料口直径减少切向速度有利于泥颗粒从底流口排出，这与常规液固水力旋流器不同。同时，入口速度减少，水力旋流器内的阻力损失降低，所以溢流口压降和底流口压降均随着进料口直径的增大而减少，因此，进料口直径取为45 mm。

图3　进料口直径对速度分布和分离性能的影响 Fig.3　Effect of the diameter of inlet pipe on velocity distribution and separation performance

2.2.2　溢流管的影响

保持其他参数不变，溢流管直径对水力旋流器内速度分布和分离性能的影响如图4所示。

图4　溢流管直径对速度分布和分离性能的影响 Fig.4　Effect of the diameter of overflow pipe on velocity distribution and separation performance

从图4(a)可以看出，随着溢流管直径从60 mm逐渐增大至90 mm，切向速度的分布形态基本不变，但最大切向速度逐渐降低，由于强旋转流场产生的中心负压逐渐减小，因此中心上行流的轴向速度随着溢流管直径的增大逐渐减小。从切向速度分布可以看出，随着溢流管直径的增大，最大切向速度包络面逐渐外移，外部准自由涡的范围逐渐减小。泥水分离过程主要发生在外部准自由涡区域，所以溢流管直径逐渐增大会减小泥水的有效分离区，从而致使分离效率随着溢流管直径的增大逐渐减小，与常规固液分离用水力旋流器相同，如图4(b)所示。但是，随着溢流管直径的增大，最大切向速度以及中心区域的流动速度逐渐减小，湍动程度降低，湍流阻力损失减少，因此，溢流压降和低流压降随着溢流管直径的增大逐渐减小，综合考虑分离性能和压降，溢流管直径取为70 mm。

“以前家里住的很偏，什么都不方便。如今搬到了县城，交通、就医、小孩读书都方便了，做梦都想不到，非常感谢党和政府的好政策。”兴国县良村镇村民谢国才在公证部门的见证下，拿到了易地扶贫搬迁进城进园第二期的安置房。像谢国才一样，去年底有192户移民搬迁户圆了新房梦。

保持其他参数不变，筒体高度对水力旋流器内流动特性和分离性能的影响如图6所示。从图6(a)中可以看出，水力旋流器内的切向速度随着筒体高度的增大逐渐减小，离心分离能力有所降低；但随着筒体高度的增大，固体颗粒的停留时间增长，将有利于两相分离；另外，从旋流器内湍动能分布可以看出，随着筒体高度的增大，筒体内连续相介质水对旋流的调节作用增强，内旋流区内的湍动能随着筒体高度的增大逐渐降低，湍流脉动减弱可以避免颗粒在湍流弥散效应下进入内旋流，从而有利于提高分离性能。综合效应下，水力旋流器的分离效率随着筒体高度的增大逐渐提高，但增长幅度逐渐减小，如图6(b)所示。考虑到筒体高度进一步增大对分离性能贡献不大，反而会增大设备投资，因此筒体高度取为350 mm。

图5　溢流管插入深度对速度分布和分离性能的影响 Fig.5　Effect of the insert depth of overflow pipe on velocity distribution and separation performance

水力旋流器的结构尺寸直接影响泥水的分离效果，因此首先讨论了进料口直径de、溢流管直径do、溢流管插入深度L、底流口直径du以及筒体高度对水力旋流器内流场和分离性能的影响。

水泥砂浆在制作过程中要严格按照工艺流程进行施工，严格控制水泥砂浆配合比和原材料技术指标。同时保证水泥砂浆流动性在10～14s范围内，7d抗压强度为10～25MPa，抗折强度不得小于2MPa。在胶浆灌注完成后，要求空隙填充率达到90%以上。

图6　筒体高度对速度分布和分离性能的影响 Fig.6　Effect of the height of cylinder on velocity distribution and separation performance

2.2.4　底流口直径的影响

2.2.1　进料口直径的影响

保持其他参数不变，底流口直径对速度分布和分离性能的影响如图7所示。从图7(a)中可以看出，随着底流口直径的增大，水力旋流器内最大切向速度的包络面逐渐外移，最大切向速度略有降低；外旋流轴向速度基本不受底流口直径变化的影响，但随着底流口直径的增大，旋流强度逐渐减弱，因此中心滞留区的轴向速度随着底流口直径的增大逐渐增大。由图7(b)可以看出，虽然底流口直径增大会减弱离心分离效果，但泥水分离用水力旋流器的分离效率随着底流口直径的增大逐渐增大，这是由于底流口直径增大，水力旋流器锥角减小，有利于沉积在锥体壁面上的固体泥颗粒从底流口排出，因此在本文计算范围内，分离效率随着底流口直径的增大逐渐增大，但底流口直径超过40 mm之后，分离效率增长的速率减缓。由文献报道可知，进一步增大底流口直径，会减弱水力旋流器内的旋流强度，减弱离心分离效果，因此选取底流口直径40 mm。

双壁厚六边形蜂窝夹芯胞元结构在xoz面内所受剪切作用与yoz面内求解类似，参考式(10)可得到其等效单元在z方向上所承受的剪应力为：

图7　底流口直径对速度分布和分离性能的影响 Fig.7　Effect of the diameter of underflow pipe on velocity distribution and separation performance

2.3　操作参数对内部流场和分离性能的影响

工程实际中，盾构系统产生的泥浆量和泥浆浓度等可能会发生一定程度的波动，对泥水分离系统的分离效果会产生一定的影响。为此围绕泥浆处理量、泥浆体积分数和泥颗粒黏性这3个主要运行参数进行模拟与讨论，以考察水力旋流器的操作弹性和适应能力。

在人际促成环节,设计了复述和角色扮演的口语输出活动。首先,让学生了解产出任务的步骤和要求;然后,学生进行选择性学习,从之前输入的语料中选择产出活动需要用到的语言形式和话语结构;最后,学生将选择性学习的结果直接运用到产出任务中[13]。口语产出任务具有即时性,教师对学生的选择性学习,要给予即时的检查和指导。在学生选择性学习的过程中,教师要扮演好脚手架的角色,把握好尺度。数据显示,有85%的学生明确表示多模态-POA听说教学模式有助于提升自己的口语水平。

2.3.1　泥浆处理量的影响

泥浆处理量对水力旋流器性能的影响如图8所示。从图8(a)可以看出，随着处理量的增大，水力旋流器内的切向速度和轴向速度均明显增大。切向速度增大，离心沉降加速度相应增大，有利于泥颗粒向边壁运动；但轴向速度增大，水力旋流器内的有效停留时间减小，上行流速度显著增大，未及时排出的泥颗粒很容易再次进入上行流从溢流管流出。从图8(b)中可以看出，分离效率随着处理量的增大先增大后减小，在额定处理量附近的分离效率最高。另外，水力旋流器的分离性能对处理量的变化较敏感，而压降随着处理量的增大逐渐增大，因此使用过程中应保证水力旋流器满负荷运行。

图8　处理量对速度分布和分离性能的影响 Fig.8　Effect of the throughput on velocity distribution and separation performance

2.3.2　泥浆体积分数的影响

保持入口流量不变，入口泥浆含泥体积分数对泥水分离效果的影响如图9所示。从图9(a)可以看出，切向速度随泥浆体积分数的增加略微增大，外部下行流的速度随着泥浆体积分数的增大逐渐减小。从图9(b)可以看出，分离效率随着泥浆体积分数的增大逐渐降低。这是因为泥浆体积分数的增加会使浆液颗粒间的摩擦力增大，阻碍固体颗粒的沉积；另外，泥浆体积分数太大，固体颗粒沉积到锥体部分后粘附在壁面上，难以从底流口排出，从而造成分离效率降低。因此，实际运行时应设法降低入口泥浆体积分数。

2.3.3　固相黏度的影响

固体泥颗粒黏性对水力旋流器的流动和分离特性的影响如图10所示。从图10中可以看出，随着固相黏度的增大，摩擦能量损失增加，切向速度略有减小；颗粒黏度对轴向速度影响不大，但颗粒对连续相湍流的调制作用致使中心区域上行流的速度逐渐增大，湍流流动压降也随着固相黏度的增大逐渐减小。在计算范围内，水力旋流器的分离效率随着固相黏度的增大逐渐增大。

图9　泥浆体积分数对速度分布和分离性能的影响 Fig.9　Effect of the solid volume fraction on velocity distribution and separation performance

图10　固相黏度对速度分布和分离性能的影响 Fig.10　Effect of the solid viscosity on velocity distribution and separation performance

3　结论

利用CFD数值模拟对泥水分离用水力旋流器进行研究，对比分析不同结构参数下旋流器内的流场及泥水分离情况，并讨论了入口流量和泥浆体积分数对泥水分离性能的影响，得出以下结论。

(1)利用CFD数值模拟可以有效地获得水力旋流器内的流场分布，同时对比分析结构参数对旋流器内流场和分离性能的影响，进而优化泥水分离用水力旋流器的结构，提高分离性能。

(2)溢流管和底流口直径对水力旋流器分离性能的影响最大，其次是筒体高度，进料口直径对分离性能的影响最小。分离效率随着溢流管直径的增大逐渐降低，随着溢流管插入深度的增大先增大后减少，当溢流管直径为70 mm，插入深度为100 mm时，分离效率较好；在本文计算范围内，分离效率随着底流口直径的增大逐渐增大，随着筒体高度的增大逐渐增大；分离效率随着进料口直径的增大先缓慢增大又逐渐减小。

(3)在额定处理量下，水力旋流器的分离效率最高，分离效率随着入口泥浆体积分数的增大逐渐减小，随着入口泥颗粒的黏度增大分离效率逐渐增大，水力旋流器对处理量和处理介质较敏感。

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