摘要：在大深度豎井掘進機的泥漿環(huán)流系統(tǒng)中，由介質勢能產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力已經(jīng)達到了一個不容忽視的程度。針對這種大壓力、高流量工況下惡劣的固液兩相流環(huán)境，提供了一種可靠性高、故障間隔長、結構簡單且精巧的對沖減壓裝置作為在線式備份減壓器，以期能夠在透平故障的情況下為泥漿環(huán)流系統(tǒng)提供應急減壓措施，并保證其平?？梢宰鳛樵诰€熱備。新設計了四種不同構型的對沖減壓裝置，并在純水介質下進行仿真模擬，分析論證其原理的可行性。結果發(fā)現(xiàn)，有導流器結構的方案可以避免對沖鋒面作用在緩沖室的罐壁上，使射流平緩地消散；在噴嘴距為300 mm時，減壓器內(nèi)流動最為均勻。

關鍵詞：豎井掘進機；泥漿環(huán)流系統(tǒng)；對沖減壓；裝置

中圖分類號：TP61+4.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0037-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.009

0" " 引言

目前，國內(nèi)豎井掘進施工中使用的大部分豎井掘進機都搭載了泥漿環(huán)流系統(tǒng)，用于高效地輸送出渣。但對于豎井掘進工程來說，當超過一定開挖深度時，泥漿介質在重力作用下會產(chǎn)生更大的沖擊壓力，特別是當輸送的泥漿含有大直徑顆粒時，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間工作[1-2]。因此，開發(fā)設計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，在該應用領域具有重要意義[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)的被動式熱備減壓措施，用作主動減壓措施（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，當發(fā)生由各種原因如泥漿透平機械故障，或是管路破裂引發(fā)泄漏等導致管網(wǎng)內(nèi)發(fā)生水擊時，能夠自動投入使用而無須等待控制系統(tǒng)響應，縮短反應時間，最大程度上減小事故帶來的危害，防止泥漿環(huán)流系統(tǒng)因為某一級損壞而導致逐級擊穿[7-12]。此外，該裝置還具備結構簡單可靠，易于維護，在大含沙量的液體流動環(huán)境下結構不易沖刷磨損或是堵塞，能夠保持全時段在線等特點。

1" " 對沖減壓裝置結構

該新型對沖減壓裝置的主要結構如圖1（a）所示，主要由管段、噴嘴、緩沖室三個部分構成。

工作過程主要分為三個階段，首先是上游來流介質進入進口段后，先經(jīng)由耐磨分流板被左右分開進入分流管段，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能抵消大部分，最后重新將剩余動能轉化為壓力能并向下游流動。

如圖1（b）所示，當系統(tǒng)處于上游來流壓力突增、超過聯(lián)軸的透平電機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泵故障等情況下，位于透平電機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投入，其響應快，工作原理安全可靠，失效風險低，檢修與維護成本較低，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，因此額外增設了一個位于緩沖罐中心的對沖鋒面導流器，使其能夠將向四周擴散的沖擊鋒面重新引導至射流對沖的匯聚點進行二次消能，構成了如圖2所示的無對沖鋒面導流器與有對沖鋒面導流器兩種方案。

2.1" " 水體模型建立

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

網(wǎng)格無關性驗證：保持進出口壓差1.6 MPa（16 bar）時監(jiān)測出口流量作為驗證，在300萬網(wǎng)格左右流量趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

對各個方案構建如圖4所示的流體域，并進行網(wǎng)格劃分，綜合考慮后采取適應性較好的四面體非結構網(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、求解器設置及監(jiān)測點

數(shù)值模擬采用ANSYS-CFX軟件平臺，湍流模型則選取RNG κ-ε模型，采用有限體積法離散N-S方程，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)進行處理；壓力和速度的耦合采用SIMPLE-C算法；擴散項的離散采用二階中心差分格式，離散格式采用二階迎風格式，各控制方程采用二階離散格式可以減小數(shù)值計算截斷誤差的影響，提高計算精度。

連續(xù)性方程：

+=0（1）

式中：ρ為流體介質密度；t為時間；ui表示在坐標xi上的速度分量；xi表示坐標分量。

動量方程：

+=-+μ

+Smi（2）

式中：ui、uj表示平均速度分量；xi、xj表示坐標分量；p為壓力；μ為流體介質的動力粘度；Smi表示動量方程源項，常簡化為0。

對于邊界條件的設置則是先采用入口1.6 MPa（16 bar）、出口0.1 MPa（1 bar）作為邊界條件進行定常計算，然后在定常計算基礎上實現(xiàn)瞬態(tài)計算。瞬態(tài)計算時間步長定為0.01 s，平穩(wěn)運行1 s后進口壓力上升到1.6 MPa（16 bar），2 s時升高到18 MPa（180 bar），然后保持該數(shù)值一直計算到3 s，出口則一直保持0.1 MPa（1 bar）。入口壓力P隨時間變化的函數(shù)如下所示，瞬態(tài)計算總共持續(xù)3 s。

P（t）=16，" " " t≤1 s，

164t-148，1 s≤t≤2 s，

180，" " " " "2 s≤t≤3 s（3）

式中：P為壓力；t為時間。

2.3" " 仿真結果分析

為了驗證對沖減壓器新構型的設計合理性，并探究介質在對沖減壓器內(nèi)部流動時速度及壓強等參數(shù)的變化，運用流體仿真軟件對不同噴嘴間距的對沖減壓器進行流場仿真。

2.3.1" " 靜壓

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

當模擬進行到第3 s時，裝置的壓力云圖如圖6所示。

據(jù)圖5、圖6可以分析得出，對沖消能結構能夠有效應對在第1秒時突然增大的進口壓力，大部分靜壓將在射流噴嘴處被轉換為動壓，通過對沖射流相互抵消速度矢量并將壓力能轉換為熱能，最終被減壓后的介質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構上有無導流器的不同對于大壓力脈沖下的消能效果無明顯影響，四種構型的終時出口靜壓沒有較大差別。

當進口壓力較低時，整個裝置的壓損較小，理論上能夠作為在線式熱備配置在系統(tǒng)中的關鍵位置，且不會對系統(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)測點的流速隨時間變化的趨勢。

當模擬進行到第3秒時，裝置的速度云圖如圖8所示。

據(jù)圖8可以看出，有導流器的結構相較于無導流器的結構，出口流速變化較大，這是由進口總壓增加帶來的總的質量流量上升所導致的，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。四種結構出口流速的波動范圍均維持在30～40 m/s內(nèi)。在結構上，由圖8可以發(fā)現(xiàn)，有導流器結構的緩沖室內(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，同時易于更換的導流器結構可作為易損件進行設計，使用上進行定期更換的成本相較于更換緩沖室更具有經(jīng)濟性。

2.3.3" " 湍動能

由圖9的四種結構末時湍動能云圖可以直觀地讀出能量的損耗主要發(fā)生的位置。在沒有導流器的結構中兩股射流對撞產(chǎn)生的沖擊鋒面仍然攜帶有較大的能量，在向四周擴散的過程中進一步與周圍低速介質通過湍流的形式發(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。而帶有導流器的結構中，兩股射流對撞產(chǎn)生的沖擊鋒面被導流器重新引導回對撞中心，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流器的介質的流動方向相反，再次形成類似對沖消能的效果，由云圖可以發(fā)現(xiàn)湍動能峰值區(qū)域主要集中在導流器內(nèi)部，因此可以認為導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

以進出口總壓的變化為基礎，計算對沖減壓裝置總的消能率，總壓測壓點如圖10所示，則裝置總的消能率計算公式如下：

η=×100% （4）

式中：η為消能率；P1為P1點總壓；P2為P2點總壓。

將四種構型的末時兩點總壓代入式（4）進行計算，得到的消能率如表3所示。

四種結構的消能率相近，都可以有效應對上游在1 s內(nèi)突增18 MPa的壓力波動，因此這幾種結構主要的區(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，帶來的動壓壓力與磨蝕損失將會很不利于緩沖罐的工程化應用，而帶有導流器結構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觀察四種構型的壁面受力云圖，可以發(fā)現(xiàn)不帶導流器的400間距構型上，有著明顯的一圈對撞射流沖擊鋒面導致的作用在緩沖室罐體上較為集中的壓力，其余三個帶導流器的結構罐體受力則較為均勻，但400和350間距的結構在噴嘴邊緣處出現(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構，導致湍流區(qū)產(chǎn)生了受力計算誤差。

因此，可以直觀地認為帶有導流器的結構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)值相較于無導流器的結構更低，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)濟性。

3" " 結論

通過對不同構型對沖減壓器進行模擬分析的結果可知，該裝置四種構型均可相對有效地對高壓介質進行消能減壓，結構簡單，無動力部件，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。

在對沖減壓器的結構迭代中可以發(fā)現(xiàn)，相較于無導流器結構，有導流器的構型在工作時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Я髌鞯臉嬓拖苈首罡?，?9.1%左右。理論上，帶有導流器的結構相較于無導流器的結構將具有更好的穩(wěn)定性與更長的使用壽命。

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收稿日期：2024-05-22

作者簡介：方小龍（1989—），男，河南信陽人，工程師，研究方向：流體技術。