基于CFD疏浚泥管中混合固化的數(shù)值仿真研究

高若沉，楊尊儒，白興蘭，張兆德

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山　316022）

基于CFD疏浚泥管中混合固化的數(shù)值仿真研究

高若沉1，2，楊尊儒1，2，白興蘭1，2，張兆德1，2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316022）

摘要：基于疏浚淤泥管中固化技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算流體分析軟件CFD，通過歐拉多相流模型模擬了疏浚泥、空氣和固化劑在管中混合的過程，同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真方法的有效性。討論了結(jié)構(gòu)改變對(duì)混合效果的影響，結(jié)果表明：固化劑入口角度變化對(duì)混合效果影響不大；并非空氣入口角度越小混合效果越好；空氣入口安置在固化劑入口之后混合效果更好；空氣入口與擴(kuò)大管入口之間的距離和擴(kuò)大管直徑存在一個(gè)臨界值，小于或大于臨界值都能改善混合效果。

關(guān)鍵詞：疏浚泥；管中固化技術(shù)；Fluent；混合效果

將大體積的高含水率、低強(qiáng)度的疏浚泥固化處理為工程用土，是解決海洋疏浚泥處置與沿海工程用土的較好途徑。目前，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家以管中氣動(dòng)混合固化處理技術(shù)為主，通過駁船將泥運(yùn)至空氣壓送船處，

在泥漿泵和空氣壓縮機(jī)的共同作用下，疏浚泥在輸泥管中翻滾前進(jìn)，輸送中固化劑供給船將適量的固化劑注入管內(nèi)，最終疏浚泥、空氣和固化劑三者在管內(nèi)混合后由澆筑船施工，通過該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的工程案例是日本中部國(guó)際機(jī)場(chǎng)人工島建造工程［1］、東京國(guó)際機(jī)場(chǎng)D跑道擴(kuò)建工程［2-3］等。而國(guó)內(nèi)在該方面的研究處于起步階段，還沒有工程應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上展開了研究。李強(qiáng)［4］等研究了不同濃度疏浚泥與不同配比的固化劑混合攪拌沉積特性，試驗(yàn)結(jié)果表明吹填過程中固化劑能有效提高沉積效率，增強(qiáng)土體強(qiáng)度。林安珍［5］等對(duì)粉煤灰、水泥、生石灰等填充劑料與疏浚泥固化強(qiáng)度關(guān)系展開了研究，結(jié)果表明其關(guān)系基本是線性的。朱偉［6］等研究了疏浚泥固化土基本力學(xué)性質(zhì)，得出：在一定的水泥摻加量和齡期內(nèi)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻加量成線性增加關(guān)系；劉進(jìn)寶［7］等研究了疏浚泥固化過程中水份量與強(qiáng)度的關(guān)系，得出：固化疏浚泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和計(jì)算含水率變化量隨水泥量的增加呈良好的線性增加關(guān)系。

近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了理論分析和試驗(yàn)測(cè)試的不足，具有成本低、耗時(shí)短、比較容易獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化的優(yōu)勢(shì)，逐漸被研究者所采納，為實(shí)際工程應(yīng)用提供有用的參考價(jià)值。本文擬利用軟件CFD，采用壓力基、瞬態(tài)求解器，模擬了疏浚泥、空氣、固化劑三相在管內(nèi)的混合過程，并分析了試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變對(duì)疏浚泥與固化劑的混合效果的影響。

1基本理論

本文研究主要關(guān)注疏浚泥與固化劑管中混合情況，并作如下假設(shè)：（1）忽略疏浚泥和固化劑的內(nèi)部泥沙顆粒；（2）不考慮能耗損失。對(duì)于多相流的流體力學(xué)仿真而言，采用歐拉-歐拉模型，此模型需要的相關(guān)方程［8］如下：

第q相的連續(xù)方程：

第q相的動(dòng)量平衡方程：

第q相的壓力應(yīng)變張量：

其中：

v→q是第q相的速度，m˙pq是從第p相到q相的質(zhì)量傳遞；p是所有相共享的壓力；Rˉpq是相之間的相互作用力；F→q是外部體積力；F→lift，q是升力；F→vm，q為虛擬質(zhì)量力；μq是第q相的剪切粘度；λq是第q相的體積粘度。

圖1　數(shù)值仿真模型示意圖Fig.1　The sketch for numerical simulation model

2數(shù)值模擬

2.1模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽缛鐖D1所示，該裝置由圓管和擴(kuò)大管等組成，自左向右分別為疏浚泥入口、空氣入口、固化劑入口、固化混合出口。其中，該裝置總長(zhǎng)度為4 425 mm，疏浚泥入口距空氣入口長(zhǎng)度為1 050 mm，空氣入口距擴(kuò)大管入口段長(zhǎng)度為1 050 mm，擴(kuò)大管入口段距固化劑入口長(zhǎng)度為290 mm，固化劑入口距擴(kuò)大管出口段長(zhǎng)度為290 mm，擴(kuò)大管出口段距固化混合出口長(zhǎng)度為1 745 mm，疏浚泥入口、空氣入口、固化劑入口、固化混合出口、擴(kuò)大管直徑分別為Φ50 mm、Φ20 mm、Φ20 mm、Φ50 mm、Φ100 mm。

由于模型相對(duì)簡(jiǎn)單，直接進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元為Tet/Hybrid，類型為TGrid，網(wǎng)格單元數(shù)量為81539，網(wǎng)格質(zhì)量較佳，整體和局部放大模型網(wǎng)格劃分情況，如圖2所示。

2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證

為了驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可信度，按照1:1的比例設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，具體見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)之間存在一定的誤差，但考慮到數(shù)值模擬的理想化假設(shè)與實(shí)際模型試驗(yàn)的諸多影響因素，其誤差仍屬于可接受的范圍，因此該仿真方法是合理的。

圖2　整體和局部放大網(wǎng)格劃分Fig.2　Global and local mesh generation

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Tab.1　The comparison of experimental data and numerical simulation results

3計(jì)算結(jié)果與分析

為進(jìn)一步改善混合效果，擬從以下5個(gè)方向研究結(jié)構(gòu)改變對(duì)混合效果的影響：空氣入口角度、空氣入口與擴(kuò)大管之間的距離、固化劑入口角度、空氣入口與固化劑入口位置、擴(kuò)大管直徑，截取出口處的橫剖面，將出口的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1不同的空氣入口角度對(duì)混合效果的影響

圖3、圖4分別是在不同空氣入口角度下的疏浚泥、固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線，橫坐標(biāo)正值最大值表示管道頂部，負(fù)值最小值表示管道底部。從整體來看，疏浚泥在管道頂部體積分?jǐn)?shù)要大于底部的體積分?jǐn)?shù)，固化劑體積分?jǐn)?shù)分布正好相反；空氣入口角度為30°和50°時(shí)，疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線先近線性遞增后保持不變，固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線先近線性遞減后保持不變，兩者的曲線軌跡變化不大。管道頂部和底部的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)相差0.25左右，疏浚泥主要分布在管道頂部，管道頂部固化劑的體積分?jǐn)?shù)為0，固化劑主要分布在底部，可見疏浚泥和固化劑并沒有混合在一起，反而呈現(xiàn)出了“分層現(xiàn)象”；空氣入口角度為70°時(shí)，疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線變化比較緩和，管道內(nèi)疏浚泥和固化劑分布比較均勻，即兩者的混合程度比較好。因此，并非空氣入口角度越小管內(nèi)紊流強(qiáng)度越強(qiáng)更能促進(jìn)疏浚泥在管中和固化劑的混合。

3.2空氣入口與擴(kuò)大管入口之間的距離不同對(duì)混合效果的影響

圖5、圖6分別是空氣入口與擴(kuò)大管入口之間不同距離時(shí)的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線。從圖中可以得出：間距為1 050 mm時(shí)，疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)在前半段曲線陡峭，根據(jù)疏浚泥和固化劑的分布情況，可以容易得出混合效果較差；間距分別為545 mm和1 575 mm時(shí)，疏浚泥和固化劑的體積分?jǐn)?shù)曲線波動(dòng)較小，在相差不大的固化劑體積分?jǐn)?shù)情況下，前者的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)小于后者，因此其輸出的固化土的強(qiáng)度更大。在這兩種情況均能滿足工程用土強(qiáng)度要求的前提下，后者經(jīng)濟(jì)性更好。因此，空氣入口與擴(kuò)大管入口之間的距離存在一個(gè)臨界值，小于或大于臨界值都能改善混合情況。

圖3　不同空氣入口角度下的的疏浚泥的體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.3　The volume fraction curve of spoils under different input angles of air

圖4　　不同空氣入口角度下的固化劑的體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.4　The volume fraction curve of hardener under different input angles of air

圖5　空氣入口與擴(kuò)大管入口之間不同距離時(shí)的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.5　The volume fraction curve of dredged spoils under different distances between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

圖6　空氣入口與擴(kuò)大管入口之間不同距離時(shí)的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.6　Thevolumefraction curveofhardenerunderdifferent distancesbetweenairinletand suddenenlargementpipeinlet

3.3不同固化劑入口角度對(duì)混合效果的影響

圖7、圖8分別是不同固化劑入口角度下的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線。顯而易見，不同入口角度下，疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線變化趨勢(shì)是相同的，且變化不大，疏浚泥和固化劑同樣存在分層現(xiàn)象，并沒有在空氣的作用下發(fā)生混合，可見固化劑的入口角度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的混合效果影響不大。

3.4空氣入口與固化劑入口的位置交換對(duì)混合效果的影響

圖9、圖10分別是空氣入口與固化劑入口位置交換下的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線，其中A模型代表空氣入口在固化劑入口之前，B模型代表空氣入口在固化劑入口之后。從圖中可以看出：A模型固化劑體積分?jǐn)?shù)在底部約為0.69，在0～0.025區(qū)間的體積分?jǐn)?shù)約等于0，顯然管內(nèi)上半部分疏浚泥不能與固化劑結(jié)合，最終導(dǎo)致整體固化強(qiáng)度不一致。而對(duì)于B模型，疏浚泥體積分?jǐn)?shù)和固化劑體積分?jǐn)?shù)都存在著自管道頂部至底部逐漸增大的趨勢(shì)，管道頂部和底部的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)相差0.04左右，固化劑體積分?jǐn)?shù)相差0.07左右，相對(duì)A模型結(jié)果而言分布比較均勻，混合效果較佳。

圖7　　不同固化劑入口角度下的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.7　The volume fraction curve of dredged spoils under different input angles of hardener

圖8　不同固化劑入口角度下的固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.8　The volume fraction curve of hardener under different input angles of hardener

圖9　空氣入口與固化劑入口位置交換時(shí)的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.9　The volume fraction curve of dredged spoils under changing the position between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

圖10　空氣入口與固化劑入口位置交換時(shí)的固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.10　The volume fraction curve of hardener under changing the position between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

3.5擴(kuò)大管直徑對(duì)混合效果的影響

圖11、圖12分別是不同擴(kuò)大管直徑下的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線。與管徑為100 mm時(shí)結(jié)果對(duì)比可知，管徑分別為80 mm和120 mm時(shí)，出口各個(gè)位置的疏浚泥和固化劑體積分?jǐn)?shù)變化較小，前者與后者的區(qū)別在于在固化劑體積分?jǐn)?shù)幾乎相同的情況下，前者輸出的疏浚泥更少，意味著得到的固化土的強(qiáng)度更大，擴(kuò)大管直徑與混合效果之間并不存在絕對(duì)關(guān)系，應(yīng)根據(jù)工程強(qiáng)度需求選擇相應(yīng)的擴(kuò)大管直徑。

圖11　不同擴(kuò)大管直徑下的疏浚泥體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.11　The volume fraction curve of dredged spoils under different diameters of sudden enlargement pipe

圖12　不同擴(kuò)大管直徑下的固化劑體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.12　The volume fraction curve of hardener under different diameters of sudden enlargement pipe

4結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用CFD對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了仿真模擬并和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明其吻合較好，驗(yàn)證了該仿真的可信度，隨后在試驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)上從多角度改變模型參數(shù)，探討研究了模型結(jié)構(gòu)的改變對(duì)管中的疏浚泥、空氣、固化劑三相混合混合效果的影響，最后得出結(jié)論：（1）固化劑入口角度變化對(duì)混合效果影響不大；（2）空氣入口安置在固化劑入口之后混合效果更好；（3）并非空氣入口角度越小管內(nèi)紊流強(qiáng)度越強(qiáng)更能促進(jìn)疏浚泥在管中和固化劑的混合；（4）空氣入口與擴(kuò)大管入口之間的距離和擴(kuò)大管直徑存在一個(gè)臨界值，小于或大于臨界值都能改善混合情況。

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中圖分類號(hào)：TU447

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào):1008-830X（2016）01-0060-05

收稿日期：2015-10-10 基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金（LY15D060005）；浙江省科技廳公益技術(shù)項(xiàng)目（2013C33065）

作者簡(jiǎn)介：高若沉（1980-），男，山東人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化. 通訊作者：白興蘭（1980-），女，副教授，博士.E-mail:baixl0813@126.com

Study on the Numerical Simulation of Solidification for Dredged Spoils in Pipeline Mixing System based on CFD

GAO Ruo-chen1，2，YANG Zun-ru1，2，BAI Xing-lan1，2，et al
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan；2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan316022，China）

Abstract:Based on solidification for dredged sediments in pipeline mixing technique，fluid analysis software CFD is used to simulate the mixed process of dredged spoils，air and hardener by Euler multiphase model，the field test is carried out to prove the validity of the simulation method.Then the influence of changing structure to mixed effect is talked out，the results indicate that mixed effect is not obvious when the input angle of hardener is changed；The mixed effcet is not better while air inlet angle decreases；The mixed effect is better if air-inlet is arranged after hardener inlet；The critical value lies in the following case:the distance between air inlet and sudden enlargement pipe inlet，the diameter of sudden enlargement pipe，and the mixed effect will be improved when it is less or more greater than the critical value.

Key words:dredged spoils；solidification in pipeline mixing technique；Fluent；mixed effect