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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 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