基于CFD疏浚泥管中混合固化的数值仿真研究

高若沉，杨尊儒，白兴兰，张兆德

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山　316022）

基于CFD疏浚泥管中混合固化的数值仿真研究

高若沉1，2，杨尊儒1，2，白兴兰1，2，张兆德1，2

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山316022）

摘要：基于疏浚淤泥管中固化技术，运用计算流体分析软件CFD，通过欧拉多相流模型模拟了疏浚泥、空气和固化剂在管中混合的过程，同时进行了现场试验验证了仿真方法的有效性。讨论了结构改变对混合效果的影响，结果表明：固化剂入口角度变化对混合效果影响不大；并非空气入口角度越小混合效果越好；空气入口安置在固化剂入口之后混合效果更好；空气入口与扩大管入口之间的距离和扩大管直径存在一个临界值，小于或大于临界值都能改善混合效果。

关键词：疏浚泥；管中固化技术；Fluent；混合效果

将大体积的高含水率、低强度的疏浚泥固化处理为工程用土，是解决海洋疏浚泥处置与沿海工程用土的较好途径。目前，日本等发达国家以管中气动混合固化处理技术为主，通过驳船将泥运至空气压送船处，

在泥浆泵和空气压缩机的共同作用下，疏浚泥在输泥管中翻滚前进，输送中固化剂供给船将适量的固化剂注入管内，最终疏浚泥、空气和固化剂三者在管内混合后由浇筑船施工，通过该技术已经实现的工程案例是日本中部国际机场人工岛建造工程［1］、东京国际机场D跑道扩建工程［2-3］等。而国内在该方面的研究处于起步阶段，还没有工程应用案例，国内学者大多是在试验的基础之上展开了研究。李强［4］等研究了不同浓度疏浚泥与不同配比的固化剂混合搅拌沉积特性，试验结果表明吹填过程中固化剂能有效提高沉积效率，增强土体强度。林安珍［5］等对粉煤灰、水泥、生石灰等填充剂料与疏浚泥固化强度关系展开了研究，结果表明其关系基本是线性的。朱伟［6］等研究了疏浚泥固化土基本力学性质，得出：在一定的水泥掺加量和龄期内，固化土的无侧限抗压强度与水泥掺加量成线性增加关系；刘进宝［7］等研究了疏浚泥固化过程中水份量与强度的关系，得出：固化疏浚泥的无侧限抗压强度和计算含水率变化量随水泥量的增加呈良好的线性增加关系。

近年来，随着计算流体力学（CFD）理论的发展和计算机技术的进步，CFD技术在一定程度上弥补了理论分析和试验测试的不足，具有成本低、耗时短、比较容易获得流场数据以及实现流场可视化的优势，逐渐被研究者所采纳，为实际工程应用提供有用的参考价值。本文拟利用软件CFD，采用压力基、瞬态求解器，模拟了疏浚泥、空气、固化剂三相在管内的混合过程，并分析了试验系统结构改变对疏浚泥与固化剂的混合效果的影响。

1基本理论

本文研究主要关注疏浚泥与固化剂管中混合情况，并作如下假设：（1）忽略疏浚泥和固化剂的内部泥沙颗粒；（2）不考虑能耗损失。对于多相流的流体力学仿真而言，采用欧拉-欧拉模型，此模型需要的相关方程［8］如下：

第q相的连续方程：

第q相的动量平衡方程：

第q相的压力应变张量：

其中：

v→q是第q相的速度，m˙pq是从第p相到q相的质量传递；p是所有相共享的压力；R¯pq是相之间的相互作用力；F→q是外部体积力；F→lift，q是升力；F→vm，q为虚拟质量力；μq是第q相的剪切粘度；λq是第q相的体积粘度。

图1　数值仿真模型示意图Fig.1　The sketch for numerical simulation model

2数值模拟

2.1模型结构及网格划分

本文试验模型的几何尺寸如图1所示，该装置由圆管和扩大管等组成，自左向右分别为疏浚泥入口、空气入口、固化剂入口、固化混合出口。其中，该装置总长度为4 425 mm，疏浚泥入口距空气入口长度为1 050 mm，空气入口距扩大管入口段长度为1 050 mm，扩大管入口段距固化剂入口长度为290 mm，固化剂入口距扩大管出口段长度为290 mm，扩大管出口段距固化混合出口长度为1 745 mm，疏浚泥入口、空气入口、固化剂入口、固化混合出口、扩大管直径分别为Φ50 mm、Φ20 mm、Φ20 mm、Φ50 mm、Φ100 mm。

由于模型相对简单，直接进行体网格划分，设定单元为Tet/Hybrid，类型为TGrid，网格单元数量为81539，网格质量较佳，整体和局部放大模型网格划分情况，如图2所示。

2.2试验模型验证

为了验证该数值模拟方法的可信度，按照1:1的比例设计了试验装置，并将仿真结果与试验结果进行了对比，具体见表1。试验数据和模拟数据之间存在一定的误差，但考虑到数值模拟的理想化假设与实际模型试验的诸多影响因素，其误差仍属于可接受的范围，因此该仿真方法是合理的。

图2　整体和局部放大网格划分Fig.2　Global and local mesh generation

表1　试验数据与数值模拟结果对比Tab.1　The comparison of experimental data and numerical simulation results

3计算结果与分析

为进一步改善混合效果，拟从以下5个方向研究结构改变对混合效果的影响：空气入口角度、空气入口与扩大管之间的距离、固化剂入口角度、空气入口与固化剂入口位置、扩大管直径，截取出口处的横剖面，将出口的疏浚泥和固化剂体积分数进行对比分析。

3.1不同的空气入口角度对混合效果的影响

图3、图4分别是在不同空气入口角度下的疏浚泥、固化剂体积分数曲线，横坐标正值最大值表示管道顶部，负值最小值表示管道底部。从整体来看，疏浚泥在管道顶部体积分数要大于底部的体积分数，固化剂体积分数分布正好相反；空气入口角度为30°和50°时，疏浚泥体积分数曲线先近线性递增后保持不变，固化剂体积分数曲线先近线性递减后保持不变，两者的曲线轨迹变化不大。管道顶部和底部的疏浚泥体积分数相差0.25左右，疏浚泥主要分布在管道顶部，管道顶部固化剂的体积分数为0，固化剂主要分布在底部，可见疏浚泥和固化剂并没有混合在一起，反而呈现出了“分层现象”；空气入口角度为70°时，疏浚泥和固化剂体积分数曲线变化比较缓和，管道内疏浚泥和固化剂分布比较均匀，即两者的混合程度比较好。因此，并非空气入口角度越小管内紊流强度越强更能促进疏浚泥在管中和固化剂的混合。

3.2空气入口与扩大管入口之间的距离不同对混合效果的影响

图5、图6分别是空气入口与扩大管入口之间不同距离时的疏浚泥和固化剂体积分数曲线。从图中可以得出：间距为1 050 mm时，疏浚泥和固化剂体积分数在前半段曲线陡峭，根据疏浚泥和固化剂的分布情况，可以容易得出混合效果较差；间距分别为545 mm和1 575 mm时，疏浚泥和固化剂的体积分数曲线波动较小，在相差不大的固化剂体积分数情况下，前者的疏浚泥体积分数要远小于后者，因此其输出的固化土的强度更大。在这两种情况均能满足工程用土强度要求的前提下，后者经济性更好。因此，空气入口与扩大管入口之间的距离存在一个临界值，小于或大于临界值都能改善混合情况。

图3　不同空气入口角度下的的疏浚泥的体积分数曲线Fig.3　The volume fraction curve of spoils under different input angles of air

图4　　不同空气入口角度下的固化剂的体积分数曲线Fig.4　The volume fraction curve of hardener under different input angles of air

图5　空气入口与扩大管入口之间不同距离时的疏浚泥体积分数曲线Fig.5　The volume fraction curve of dredged spoils under different distances between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

图6　空气入口与扩大管入口之间不同距离时的疏浚泥体积分数曲线Fig.6　Thevolumefraction curveofhardenerunderdifferent distancesbetweenairinletand suddenenlargementpipeinlet

3.3不同固化剂入口角度对混合效果的影响

图7、图8分别是不同固化剂入口角度下的疏浚泥和固化剂体积分数曲线。显而易见，不同入口角度下，疏浚泥和固化剂体积分数曲线变化趋势是相同的，且变化不大，疏浚泥和固化剂同样存在分层现象，并没有在空气的作用下发生混合，可见固化剂的入口角度对整个系统的混合效果影响不大。

3.4空气入口与固化剂入口的位置交换对混合效果的影响

图9、图10分别是空气入口与固化剂入口位置交换下的疏浚泥和固化剂体积分数曲线，其中A模型代表空气入口在固化剂入口之前，B模型代表空气入口在固化剂入口之后。从图中可以看出：A模型固化剂体积分数在底部约为0.69，在0～0.025区间的体积分数约等于0，显然管内上半部分疏浚泥不能与固化剂结合，最终导致整体固化强度不一致。而对于B模型，疏浚泥体积分数和固化剂体积分数都存在着自管道顶部至底部逐渐增大的趋势，管道顶部和底部的疏浚泥体积分数相差0.04左右，固化剂体积分数相差0.07左右，相对A模型结果而言分布比较均匀，混合效果较佳。

图7　　不同固化剂入口角度下的疏浚泥体积分数曲线Fig.7　The volume fraction curve of dredged spoils under different input angles of hardener

图8　不同固化剂入口角度下的固化剂体积分数曲线Fig.8　The volume fraction curve of hardener under different input angles of hardener

图9　空气入口与固化剂入口位置交换时的疏浚泥体积分数曲线Fig.9　The volume fraction curve of dredged spoils under changing the position between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

图10　空气入口与固化剂入口位置交换时的固化剂体积分数曲线Fig.10　The volume fraction curve of hardener under changing the position between air inlet and sudden enlargement pipe inlet

3.5扩大管直径对混合效果的影响

图11、图12分别是不同扩大管直径下的疏浚泥和固化剂体积分数曲线。与管径为100 mm时结果对比可知，管径分别为80 mm和120 mm时，出口各个位置的疏浚泥和固化剂体积分数变化较小，前者与后者的区别在于在固化剂体积分数几乎相同的情况下，前者输出的疏浚泥更少，意味着得到的固化土的强度更大，扩大管直径与混合效果之间并不存在绝对关系，应根据工程强度需求选择相应的扩大管直径。

图11　不同扩大管直径下的疏浚泥体积分数曲线Fig.11　The volume fraction curve of dredged spoils under different diameters of sudden enlargement pipe

图12　不同扩大管直径下的固化剂体积分数曲线Fig.12　The volume fraction curve of hardener under different diameters of sudden enlargement pipe

4结语

本文运用CFD对试验模型进行了仿真模拟并和现场试验结果进行了对比，结果表明其吻合较好，验证了该仿真的可信度，随后在试验模型基础上从多角度改变模型参数，探讨研究了模型结构的改变对管中的疏浚泥、空气、固化剂三相混合混合效果的影响，最后得出结论：（1）固化剂入口角度变化对混合效果影响不大；（2）空气入口安置在固化剂入口之后混合效果更好；（3）并非空气入口角度越小管内紊流强度越强更能促进疏浚泥在管中和固化剂的混合；（4）空气入口与扩大管入口之间的距离和扩大管直径存在一个临界值，小于或大于临界值都能改善混合情况。

参考文献：

［1］KITAZUME M.Design，execution and quality control of ground improvement in land reclamation［C］.Kolkata Proc of the 13th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，2007.

［2］渡邊雅哉.羽田再拡張事業D滑走路における管中混合固化処理船団［J］.建設の施工企画，2010，720:58-62.

［3］大和屋隆司，御手洗義夫，渡邊雅哉，等.羽田再拡張事業D滑走路建設における管中混合処理工の設計と計画［Z］.第44回地盤工学研究発表会，2009.

［4］李强，邓益兵，周飞，等.吹填过程中混合固化疏浚泥室内试验研究［J］.中国水运:下半月，2015（7）:298-302.

［5］林安珍.粉煤灰、水泥和石灰等填充集料与疏浚泥固化强度的关系研究［J］.粉煤灰，2006（3）:15-16.

［6］朱伟，张春雷，高玉峰，等.海洋疏浚泥固化处理土基本力学性质研究［J］.浙江大学学报:工学版，2005，30（10）:103-107.

［7］刘进宝，张春雷.疏浚泥固化过程中水分量的变化与强度关系研究［J］.水利水电技术，2013（1）:125-127；130.

［8］周上博.海洋疏浚泥固化试验系统研制及数值仿真［D］.舟山:浙江海洋学院，2015.

中图分类号：TU447

文献标识码：A

文章编号:1008-830X（2016）01-0060-05

收稿日期：2015-10-10 基金项目：浙江省自然科学基金（LY15D060005）；浙江省科技厅公益技术项目（2013C33065）

作者简介：高若沉（1980-），男，山东人，硕士研究生，研究方向：农业机械化. 通讯作者：白兴兰（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