淹沒高壓水射流清洗地浸生產(chǎn)井過濾器的數(shù)值分析①

鐘 林， 雷潔珩， 李興鎮(zhèn)， 雷澤勇， 鄧 健， 雷 林

（1.南華大學 核科學技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001；3.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001；4.南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001）

在鈾礦地浸生產(chǎn)井使用過程中，由于含礦層地下水中富含Ca2＋、Mg2＋等金屬陽離子，目前單孔浸出液中Ca2＋濃度高達600 mg／L，基本達到了CaSO4飽和濃度，在采用酸化浸出后很容易形成CaSO4、SiO2膠體等化學沉淀造成過濾器堵塞，嚴重影響浸出效率。 因此選擇高壓水射流對鈾礦地浸生產(chǎn)井過濾器進行清洗去污處理，以恢復過濾器的通透性。

對于環(huán)境介質(zhì)為水的淹沒水射流的數(shù)值計算方法，眾多學者進行了相關(guān)研究，主要是應用Realizableκ-ε模型和RNGκ-ε模型進行流場模擬［1-5］。 Realizableκ-ε模型與標準κ-ε模型及RNGκ-ε模型相比，主要區(qū)別是其模型的湍流黏度公式中ε方程是從渦量擾動量均方根的精確輸運方程推導出來的，模型滿足對雷諾應力的約束條件，可以在雷諾應力上保持與真實湍流的一致性，這一點是標準κ-ε模型和RNGκ-ε模型都無法做到的。 因此Realizableκ-ε模型不僅能更好地預測射流的擴散性，而且能夠表現(xiàn)出射流流場中漩渦、強流線的彎曲等現(xiàn)象［6］。 本文采用Realizableκ-ε模型對淹沒高壓水射流清洗鈾礦地浸生產(chǎn)井過濾器的流場特性進行分析。

1 數(shù)值計算

1.1 噴嘴物理模型

錐形噴嘴可獲得集聚能量較好的集束射流，獲得較大的射流沖擊壓力［7］，這里選擇錐形噴嘴作為清洗過濾器的噴嘴。 噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 噴嘴總長度L=30 mm，噴嘴出口圓柱段長度l=4 mm，收縮角α=15°，入口直徑D=8 mm，出口直徑d為可變參數(shù)。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

1.2 控制方程與求解參數(shù)設置

Realizableκ-ε模型由Shih 等人于1995 年提出。渦黏公式中的系數(shù)Cu不是常數(shù)，會隨時均流動及湍流變化而相應變化。 對于不可壓縮流體不考慮浮力項，Realizableκ-ε模型的湍動能κ 方程和湍動能耗散率ε方程的時間平均輸運方程為［6］：

式中μ為液體黏度，Pa·s；ρ為液體密度，kg／m3；μt為液體湍流黏度，Pa·s。 各參數(shù)取值為：c2=1.9，湍動能耗散率的湍流Prandtl 數(shù)A0=4.04，σε=1.2，湍動能的湍流Prandtl 數(shù)σκ=1.0。

在選擇壓強-速度關(guān)聯(lián)算法時，Simplec 算法因穩(wěn)定性較好，流場計算采用Simplec 算法，壓力設置為second order 格式， 動量方程設置為second order upwind 格式，湍流動能與湍流耗散率設置為second order upwind 格式。 為驗證數(shù)值仿真方法的可靠性，利用文獻［8］的實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值仿真方法進行驗證，結(jié)果顯示高圍壓下淹沒射流沖擊壓力的衰減趨勢數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果擁有很高的重合度。

1.3 流場邊界條件及網(wǎng)格劃分

淹沒射流流場物理模型如圖2 所示，AD 為噴嘴入口，CB 為噴嘴出口，GF 為待清洗靶面（即過濾器）。以噴嘴出口CB 中點為原點，噴嘴軸線為x軸，垂直軸線方向為y軸建立坐標系。 入口直徑8 mm，計算寬度60 mm，計算長度即“沖擊靶距”為可變參數(shù)（受噴嘴和井的尺寸限制，沖擊靶距的取值范圍為6 ～15 mm）。邊界條件包括壓力入口、壁面和壓力出口，壓力入口為可變參數(shù)，壓力出口為3 MPa（地下水深300 m），網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在壁面及射流邊界處加密并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

2 結(jié)果與討論

速度和壓力作為流場的關(guān)鍵參數(shù)，是評價射流沖擊能力的重要指標。 當高速射流沖擊待清洗靶面時，水射流的軸向速度在壁面處急劇下降，部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能，滯止壓力顯著增加，產(chǎn)生“沖擊效應”。 隨后射流轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊壁附近的非集中射流，在非集中射流區(qū)，水流附著在過濾器表面上，產(chǎn)生徑向沖蝕效應。一般來說，速度較大的射流具有較大的沖擊能力，在去除過濾器污垢時可能更有效。 由于采用的是二維數(shù)值仿真分析法，在二維平面內(nèi)用有效清洗長度代替射流的有效去污面積，當水射流最大沖擊壓力（即壁壓和圍壓之間的差值）大于CaSO4最大抗壓強度時被定義為有效清洗長度。 根據(jù)文獻［9］CaSO4最大抗壓強度為7.35 MPa。 為研究噴嘴出口直徑、噴嘴壓降、沖擊偏角、沖擊靶距對水射流沖擊性能的影響，對不同參數(shù)下的流場特性進行分析。

2.1 噴嘴出口直徑

為研究噴嘴出口直徑對沖擊性能的影響，以噴嘴壓降10 MPa、沖擊靶距15 mm、沖擊偏角0°為例，對出口直徑d分別為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 的噴嘴產(chǎn)生的射流流場進行分析。 噴嘴直徑與射流速度（軸向／徑向）、沖擊壓力及有效清洗長度之間的關(guān)系如圖3～5 及表1 所示。

圖3 不同噴嘴出口直徑下射流軸向速度對比

圖4 不同噴嘴出口直徑下射流徑向速度對比

圖5 不同噴嘴出口直徑下射流靶面沖擊壓力對比

表1 噴嘴出口直徑對水射流沖擊性能的影響

噴嘴出口直徑從1.0 mm 增加到2.0 mm，水射流最大沖擊壓力（即壁壓和圍壓之間的差值）、最大徑向速度和有效清洗長度分別增加了22.15%、27.59%和905.46%，水射流最大沖擊壓力出現(xiàn)在目標靶面中心位置并向四周不斷減小，徑向速度由目標靶面中心位置相對靜止向四周呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大徑向速度的具體位置如表1 所列。 噴嘴出口直徑從2.0 mm增加到4.0 mm，水射流最大沖擊壓力和最大徑向速度基本保持不變，有效清洗長度呈先增加后減小的趨勢，在噴嘴直徑2.5 mm 時達到最大有效清洗長度46.13 mm，而最大軸向速度幾乎沒有變化，在噴嘴出口處達到最大值，約141 m／s。

在較小的直徑范圍內(nèi)（1 ～2 mm），增大噴嘴出口直徑可以擴大射流區(qū)域，即增大有效去污面積，之后繼續(xù)增大噴嘴直徑，射流的集聚性能下降，射流動能不再上升。

2.2 噴嘴壓降

噴嘴壓降，即噴嘴入口壓力與淹沒射流圍壓的差值，主要與噴嘴結(jié)構(gòu)和流量相關(guān)。 為探究噴嘴壓降對沖擊性能的影響，以噴嘴出口直徑2 mm、沖擊靶距15 mm、沖擊偏角0°為例，對噴嘴壓降8 ～15 MPa 的射流流場進行分析比較，結(jié)果如圖6～8 及表2 所示。

表2 噴嘴壓降對水射流沖擊性能的影響

圖6 不同噴嘴壓降下射流軸向速度對比

射流最大軸向速度、最大徑向速度、最大沖擊壓力及有效清洗長度隨著噴嘴壓降增大而增大。 噴嘴壓降從8 MPa 增加到15 MPa，最大軸向速度、最大徑向速度、最大沖擊壓力及有效清洗長度分別增加了36.98%、37.20%、87.60%、340.20%（大于物理模型計算寬度60 mm）。 最大軸向速度在噴嘴出口處達到最大值，徑向速度由目標靶面中心位置相對靜止向四周呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在距目標靶面中心位置4.72 mm 處達到最大值。

圖7 不同噴嘴壓降下射流徑向速度對比

圖8 不同噴嘴壓降下射流靶面沖擊壓力對比

射流動能與噴嘴壓降正相關(guān)，增大噴嘴壓降會增強射流沖擊壓力。 但沖擊壓力過高會損傷過濾器，因此在工程應用中，要充分考慮能耗和過濾器的耐壓強度，選擇恰當?shù)膰娮靿航狄赃_到較好的清洗效果。

2.3 沖擊偏角

沖擊偏角是指射流的中心軸線與待清洗靶面表面法線之間的夾角。 為探究沖擊偏角對沖擊性能的影響，以噴嘴出口直徑2 mm、噴嘴壓降10 MPa、沖擊靶距15 mm 為例，采用數(shù)值計算的方法對沖擊偏角分別為0°、15°、30°、45°、55°、60°時的射流流場進行數(shù)值仿真分析比較，結(jié)果如圖9～10 及表3 所示。

圖9 不同沖擊偏角下射流靶面沖擊壓力對比

圖10 不同沖擊偏角下射流靶面剪應力分布

表3 沖擊偏角對水射流沖擊性能的影響

不同沖擊偏角對目標靶面的沖擊壓力、剪應力及有效清洗長度等有明顯影響。 射流沖擊偏角為0°即垂直沖擊靶面時，靶面中心區(qū)域所受沖擊壓力最大；沖擊偏角60°，靶面中心區(qū)域所受沖擊壓力最小，主要原因是沖擊偏角增大到60°附近時，射流渦旋開始大量擴散，射流主流能量降低，進入發(fā)散區(qū)。 綜合考慮，沖擊偏角30°時，靶面所受的打擊壓力、剪應力及有效清洗長度都較大。

在一定范圍內(nèi)，適當增大沖擊偏角可以增強待清洗表面的剪應力，更有利于將污垢從管壁上剝離，增強射流的沖蝕效應。

2.4 沖擊靶距

射流的沖擊靶距為噴嘴出口到待清洗表面（靶面）之間的距離。 為探究沖擊靶距對沖擊性能的影響。 以噴嘴直徑d=2 mm、噴嘴壓降10 MPa、噴射偏角0°的射流流場為例，對沖擊靶距6 mm、10 mm、15 mm 時的射流流場特性進行了分析比較，結(jié)果如圖11 ～12 及表4 所示。

圖11 不同靶距下射流沖擊壓力對比

圖12 不同靶距下射流靶面剪應力對比

表4 不同靶距對水射流沖擊性能的影響

淹沒射流的有效清洗長度整體呈先增加后減少的趨勢，沖擊靶距10 mm 時，有效清洗長度最長，達到38.23 mm。 原因是射流沖擊靶距過小時，射流還未充分擴張導致有效清洗面積小，靶距過大時，射流能量減弱，有效清洗面積也隨之減少。

不同沖擊靶距的軸向速度對比見圖13。 由圖13可知，水射流在噴嘴內(nèi)加速，在噴嘴出口附近到達最大值，隨著噴距繼續(xù)增加，射流速度并無顯著衰減，由此可知，噴射靶距6～15 mm，在射流起始段內(nèi)，射流的流速及密度基本保持不變。

圖13 不同沖擊靶距下射流軸向速度對比

3 結(jié) 論

利用淹沒高壓水射流清洗鈾礦地浸生產(chǎn)井過濾器去垢效果明顯，可增強其通透性，提高鈾礦浸出效率。

1） 在較小的直徑范圍內(nèi)（1 ～2 mm），增大噴嘴出口直徑可以擴大水射流的有效去污面積，之后繼續(xù)增大噴嘴直徑，射流動能基本不受影響。

2） 射流動能與噴嘴壓降正相關(guān)，即增大噴嘴壓降會增強射流沖擊壓力，提高射流去污能力。

3） 在較小角度范圍內(nèi)（0°～30°），增大沖擊偏角可以增強靶面剪應力，更易于將污垢從過濾器表面剝離，增強去污效果。

4） 在射流初始段，有效去污長度隨沖擊靶距增加整體呈先增大后減小的趨勢，利用淹沒水射流清洗鈾礦地浸生產(chǎn)井過濾器時應合理選擇清洗靶距。