, 周永兴, 徐聪, 赵宏强中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083
收稿日期：2017-01-09
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375499)。
作者简介：徐海良(1965-), 男, 湖南湘乡人, 中南大学教授, 博士生导师。
摘要：为了提高硬质地层中扩孔气动冲击器的排屑性能, 基于岩屑颗粒在排屑流场中的临界流速原则, 运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件, 研究了一种与排屑性能相关的扩孔气动冲击器设计方法, 并将该设计方法在反向扩孔气动冲击器上进行应用.得到设计前后冲击器排屑流场内气相速度分布规律, 岩屑颗粒速度及轨迹变化情况和环路内岩屑颗粒浓度分布情况.研究结果表明:反向扩孔气动冲击器排屑流场环路内岩屑颗粒临界流速为6.02 m/s, 采用该设计方法能够有效地增加反向扩孔气动冲击器的排屑性能, 使得排屑流场环路内气流速度增加到10 m/s左右, 岩屑颗粒在排屑流场的停留时间减短, 流场内颗粒浓度分布范围由0~100 kg/m3下降到0~4 kg/m3.
关键词：扩孔气动冲击器排屑性能设计方法气固两相流数值模拟
Design Method of Reaming Pneumatic Impactors Based on Its Cuttings Removal Performance
XU Hai-liang
, ZHOU Yong-xing, XU Cong, ZHAO Hong-qiangSchool of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
Corresponding author: XU Hai-liang, professor, E-mail: csu_xhliang@163.com
Abstract: In order to improve the cuttings removal performance of reaming pneumatic impactors in hard layers, the computational fluid mechanics theory and Fluent simulation software were employed to find out a design method based on the critical velocity principle of cutting particles, which is related to the cuttings removal performance of reaming pneumatic impactors and then it was applied to the back-reaming pneumatic impactor. The speed distribution regularities of gas phase, the change of cutting particles' velocity and trajectory, and the concentration distribution of cutting particles in the flow field of the back-reaming pneumatic impactor were obtained. The results showed that the cutting particles' critical velocity of the back-reaming pneumatic impactor in the cuttings flow field is 6.02 m/s. The design method related to cuttings removal performance can effectively strengthen the cuttings removal performance of the back-reaming pneumatic impactor, and the velocity of gas phase increases to 10 m/s in the flow field. The time when cutting particles remain in the flow field is shortened, and the value of particle concentration distribution range in the flow field decreases from 0~100 kg/m3 to 0~4 kg/m3.
Key Words: reaming pneumatic impactorcuttings removal performancedesign methodgas-solid two phase flownumerical simulation
非开挖是对地下管线、光缆、电缆和管道进行更新、修复和铺设时, 采用不开挖或者微开挖的方法进行施工的一种技术[1-2], 具有不破坏地面建筑、施工效率高、环境污染小等优点, 近年来被广泛应用于地下工程的施工中[3-4].目前, 对于泥沙等软质地层, 非开挖技术发展较为成熟, 而对于硬质地层, 由于技术难度较大, 发展较为缓慢.为解决这个难题设计了专用的扩孔气动冲击器[5], 通过试验取得了较好的成绩, 同时也发现一些问题, 如扩孔气动冲击器排屑性能无法满足设计要求.通过分析发现目前水平定向钻机用扩孔气动冲击器的设计, 主要是以入口压力为基础, 利用空气动力学和热力学理论, 建立冲击器各气腔内气体状态变化数学模型, 通过数学计算软件进行求解计算, 模拟冲击器工作过程各气腔内气体状态变化情况, 从而得到冲击器的各项性能指数, 最后以性能作为优化指标, 改变其结构参数进行优化设计, 完成扩孔气动冲击器的设计[6-8].这样设计出的扩孔气动冲击器, 在扩孔施工时冲击性能能够达到设计要求, 但是经常出现排屑堵塞、卡钻等现象.
本文提出一种新的扩孔气动冲击器设计方法:基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法.该方法是建立在岩屑颗粒能够在排屑流场中输运的临界空气流速的基础上, 计算冲击器的尾气流量, 然后对其结构参数进行设计和优化.
1 基于排屑性能的冲击器设计方法基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法的思路是:在进行冲击器结构设计前, 先得出扩孔气动冲击器完成排屑所需要的尾气流量, 以此为基础再进行冲击器结构设计和优化.该设计方法的目的是在保证岩屑颗粒能够顺利排出孔外的前提下, 进行冲击器的结构设计.
考虑排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法的具体步骤为
1) 计算岩屑的临界速度.按照消耗空气动力最少时所需的空气流速计算.
2) 根据不同类型冲击器, 建立排屑流场模型.
3) 对排屑流场模型进行网格划分.
4) 确定湍流模型和边界条件.选择合适的湍流模型, 并确定出口边界条件和壁面边界条件.
5) 选取不同的入口压力对单相空气在排屑流场中的流动运用Fluent仿真软件进行数值模拟.得到不同入口压力下的气相速度流场分布.
6) 按照临界速度原则, 选取对应的速度场分布, 从而确定排屑流场入口压力和其对应的入口气相质量流量, 即冲击器尾气的排量.
7) 根据选取的入口气相质量流量, 在设计钻进速度下对其排屑流场气固两相流进行数值模拟, 分析流场的压力、气流速度和岩屑浓度等情况.
8) 根据扩孔气动冲击器的尾气排量, 重新设计扩孔气动冲击器的结构参数.
2 设计方法在反向扩孔气动冲击器上的应用2.1 反向扩孔气动冲击器介绍反向扩孔气动冲击器是一种专门针对岩石、卵砾石等硬质地层进行扩孔作业的气动设备, 其结构如图 1所示, 它主要由缸体、钻头、内活塞、内活塞杆、活塞和后封头等零部件组成.其工作原理为:空气压缩机提供高压气体, 推动其活塞作高速往复运动, 并与冲击器钻头发生碰撞, 将能量传递到钻头, 破碎岩石实现扩孔作业.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 反向扩孔气动冲击器结构图Fig.1 Structure of the reverse reaming pneumatic impactor |
反向扩孔气动冲击器的主要结构参数和系统参数如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 反向扩孔气动冲击器技术参数Table 1 Technical parameters of the reverse reaming pneumatic impactor
| 表 1 反向扩孔气动冲击器技术参数 Table 1 Technical parameters of the reverse reaming pneumatic impactor |
2.2 反向扩孔气动冲击器设计步骤2.2.1 计算岩屑的临界速度临界空气流速原则是指冲击器扩孔钻进速度一定, 即进入排屑流场的岩屑流量一定, 使得岩屑颗粒在排屑流场环空通路中消耗动力最少时的气流速度.水平定向钻机非开挖施工时, 铺设的管路一般为水平管路, 因此排屑环形通路也为水平管路, 水平管路岩屑颗粒输送的临界风速计算公式[9]:
 | (1) |
vn的计算公式为
 | (2) |
v0计算公式为
 | (3) |
颗粒在水平管内稳定后速度为
 | (4) |
按照反向扩孔气动冲击器扩孔钻进速度为4.2 m/h, 空气密度为1.29 kg/m3, 岩屑颗粒直径5 mm, 扩孔直径为180 mm, 钻杆直径100 mm计算, 得到环路内岩屑的临界速度为6.02 m/s.
2.2.2 建立排屑流场模型反向扩孔气动冲击器的扩孔直径为180 mm, 缸体外径160 mm, 长度1 500 mm, 钻头上开有3个直径为22 mm均布的排气孔.扩孔施工时, 钻杆穿过导向孔与其相连接, 由于导向孔与钻杆直径较为接近, 两者间隙较小, 加之扩孔产生的较大岩屑无法排出孔外, 在钻头前方聚集并反复破碎, 部分岩屑将堵塞钻杆前方导向孔与钻杆形成的狭小间隙, 因此仿真时, 假设钻头前方流场封闭.
图 2所示为反向扩孔气动冲击器的排屑流场示意图.排屑原理为:空气推动冲击器工作后由排气孔从钻头底部流出, 在其正对的近岩壁面形成高压区, 压差作用下产生径向外的推力, 岩屑在推力作用下运动, 在混合腔内与空气混合发生能量交换, 携带岩屑颗粒的气流遇到岩石壁面后, 反向进入到冲击器缸体与岩石孔壁形成的环形通路, 然后随着排屑流场进入到拉杆与岩石壁面的较大环路中, 最后排出孔外.流场入口为钻头上的3个的排气孔, 混合腔为钻头表面与孔路底部岩石形成的高度为10 mm, 内径100 mm, 外径180 mm的圆柱, 冲击器缸体部分环形通路内径160 mm, 外径180 mm, 拉杆部分环形通路内径80 mm, 外径180 mm.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 反向扩孔气动冲击器及排屑流场Fig.2 Reverse reaming pneumatic impactor and cuttings flow field |
2.2.3 进行网格划分反向扩孔气动冲击器的排屑流场较为复杂, 考虑到计算成本和结果的准确性, 使用混合网格方式对排屑流场进行网格划分.对于岩石壁面与气缸和钻杆形成的环形通路, 通过ICEM分块进行结构网格的划分; 排气孔、混合腔由于形状较为复杂, 运用ICEM的自动生成网格功能进行非结构网格的划分, 最终网格数量接近93万.
2.2.4 确定湍流模型和边界条件气动冲击器排屑流场仿真为复杂的三维湍流数值问题, 流场内的空气速度、压力等会出现随机脉动.对湍流流动数值模拟, 主要有直接求解和非直接求解两种方法.直接求解方法是直接求解瞬时N-S方程, 这种方法求得的结果较为准确, 但是对计算机性能要求较高, 运算资源消耗大, 对于低雷诺数的简单流动可以采取直接求解.气动冲击器排屑流场这类工程实际问题, 流动情况复杂，无法采用此方法计算, 而且本文不对湍流瞬时物理性质进行深入研究[10], 主要预测气动冲击器排屑流场湍流的平均速度场和平均浓度分布情况, 因此可以采用非直接数值求解方法[11].该方法不考虑湍流的脉动情况, 只求时均流场的控制方程, 降低了运算难度.
仿真分析运用目前较为广泛使用的RNG k-ε湍流模型, 气固两相方程求解采用离散相DPM模型, 仿真时流场的边界条件设置如表 2所示.
表 2(Table 2)
表 2 反向扩孔气动冲击器排屑流场边界条件Table 2 Boundary conditions of the cuttings flow field of the reverse reaming pneumatic impactor
| 表 2 反向扩孔气动冲击器排屑流场边界条件 Table 2 Boundary conditions of the cuttings flow field of the reverse reaming pneumatic impactor |
2.2.5 排屑流场入口压力参数设计设定不同的入口压力, 对反向扩孔气动冲击器排屑流场气固两相流进行数值模拟, 对比不同的气相压力下流场速度分布.针对反向扩孔气动冲击器, 根据分析的实际情况[12], 选用0.11~0.18 MPa之间的入口压力, 分析得到不同入口压力时排屑流场出口速度分布.由于反向扩孔气动冲击器扩孔施工时, 尾气在排屑流场出口时已达到稳定状态.取不同入口压力时, 排屑流场出口截面各网格节点的空气沿x轴负方向的流速值在z轴投影位置上的分布情况, 如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 排屑流场出口截面速度分布曲线Fig.3 Velocity distribution curves of the outlet section in the cuttings flow field |
2.2.6 选取对应的速度场分布根据临界空气流速原则, 通过计算得到反向扩孔气动冲击器排屑流场携岩时的临界空气流速为6.02 m/s.对比分析得到入口压力为0.13 MPa时, 在环形排屑通路内稳定的气流最小速度能够达到6.02 m/s.排屑流场入口压力为0.13 MPa, 此时仿真对应的入口气相质量流量为0.28 kg/s.
2.2.7 结果分析选取的气相质量流量为0.28 kg/s, 对反向扩孔气动冲击器在钻进速度为4.2 m/h, 即进入排屑流场的岩屑流量为0.05 kg/s时的排屑流场进行气固两相流的仿真, 得到排屑流场气固两相流场分布规律.
2.2.8 重新设计其结构参数结合反向扩孔气动冲击器结构设计方法, 在保证冲击器的排气流量不低于0.28 kg/s的条件下, 进行冲击器的结构设计, 使冲击器在满足冲击器的扩孔性能前提下, 同时符合冲击器排屑要求.
3 设计方法对排屑流场分布的影响通过对比分析采用基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法前后及反向扩孔气动冲击器排屑流场分布规律变化情况, 可以清晰得出该方法对反向扩孔气动冲击器排屑性能的影响情况.
3.1 气相分布规律的影响反向扩孔气动冲击器扩孔排屑流场呈环形对称分布, 取其中心竖直处z=0的截面即能够充分反映流场内部气相特性.图 4所示为z=0截面处气相沿x轴方向的速度分布云图, 图 4a为未考虑冲击器排屑性能设计时得到的气相速度分布, 图 4b为使用基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法得到的气相速度分布(下同).
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 排屑流场气相速度分布云图Fig.4 Gas phase velocity distribution contours of the cuttings flow field (a)—原始分布；(b)—采用本文方法. |
由分布云图可知, 图 4a速度分布范围较小, 集中在-7~15 m/s之间, 环路内的气流速度集中在2.6 m/s, 速度较小, 携带岩屑的能力差.图 4b气相流速分布范围较大, 集中在-40~200 m/s的范围内, 环路内气流速度能够保持在10 m/s左右, 该速度达到并超过了岩屑颗粒在环路中输运的临界速度, 理论上, 岩屑颗粒能够在环路内自由悬浮前进, 颗粒不会发生沉积, 即反向扩孔气动冲击器非开挖扩孔施工时, 能够保证岩屑颗粒顺利排出孔路, 不会造成堵塞现象.
3.2 固相分布规律的影响图 5为岩屑颗粒轨迹在排屑流场中的分布云图.由图可知, 颗粒质量流量为0.05 kg/s条件下, 图 5b中岩屑颗粒轨迹明显更加流畅, 在排屑流场中分布均匀, 受到重力的影响较小.图 5a中颗粒轨迹主要集中在环形通路底部, 颗粒在流场中跳跃前进, 容易造成环路的堵塞.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 岩屑颗粒轨迹分布图Fig.5 Trajectory distribution of cuttings (a)—原始分布；(b)—采用本文方法. |
图 6所示为排屑流场环路不同x位置截面上颗粒浓度分布云图.由图可知, 考虑排屑性能进行冲击器设计后, 岩屑在环路内部分布浓度急剧下降, 分布十分均匀.图 6a中岩屑颗粒在管路底部分布较为集中, 颗粒浓度分布受重力影响明显, 越靠近流场底部, 颗粒浓度越高.图 6b中岩屑颗粒在环路截面中分布, 受到重力影响微小, 颗粒均匀分布在环路内, 集中在0~4 kg/m3范围内.通过仿真分析, 可以得出采用基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法, 能够改善环路内岩屑颗粒浓度分布均匀程度, 明显提高冲击器的排屑性能.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同x位置截面上颗粒浓度分布云图Fig.6 Particles concentration distribution contours at different x positions (a)—原始分布；(b)—采用本文方法. |
图 7所示为两种情况下, 排屑流场内相同位置的某一岩屑颗粒运动速度随时间的变化曲线.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 岩屑颗粒运动速度随时间变化曲线Fig.7 Curve of velocity with time of cuttings particle (a)—原始分布；(b)—采用本文方法. |
由图可知, 颗粒在排屑流场中运动与排屑流场不断发生碰撞并前进, (a)中颗粒撞击流场壁面的次数远多于(b)中的撞击次数; 同时(a)情况下岩屑颗粒在排屑流场的停留时间较长, 达到5 s; 而(b)情况下, 该颗粒只在排屑流场中停留0.32 s; 另外, 该岩屑颗粒在(a)中的速度明显低于(b)中的速度, (a)中最大速度接近12 m/s, 在环路内岩屑颗粒速度接近2 m/s, 而(b)中颗粒最大速度接近75 m/s, 在环路中的速度在5 m/s以上.较大的颗粒速度和较少的碰撞能够保证岩屑在流场中集聚情况的减少, 有利于岩屑颗粒排出流场.
4 结论1) 基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法具体步骤为:a)计算临界流速; b)建立排屑流场模型; c)进行网格划分; d)设定仿真参数; e)选取入口压力进行仿真; f)得出冲击器排气流量; g)进行仿真验证; h)进行冲击器结构设计.
2) 反向扩孔气动冲击器排屑流场环路内岩屑颗粒临界流速为6.02 m/s.为保证排屑流场内气流速达到该临界流速, 其入口压力应达到0.13 MPa, 此时仿真对应的排屑流场入口气相质量流量为0.28 kg/s.
3) 采用基于排屑性能的扩孔气动冲击器设计方法能够有效地增强冲击器排屑性能; 有效地改善流场内岩屑颗粒轨迹分布情况, 使岩屑颗粒轨迹更加流畅, 在排屑流场中分布均匀, 受到重力的影响较小; 同时极大降低排屑流场内岩屑颗粒浓度分布均匀程度, 使得颗粒浓度分布范围由0~100 kg/m3下降到0~4 kg/m3.
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