基于CFD的泥水盾构气垫仓冲刷系统流场特性研究

0引言
,, ,,
[1,2]。

,,
[3,4]。

,。

,,
,。

,
,。

,。

[5]
,
,。

Zhang K[6]CFD
,。

Xu E[7]CFD
基于CFD的泥水盾构气垫仓冲刷系统
流场特性研究
赵合全
(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,江苏南京210000)
【摘要】为解决泥水盾构施工过程中遇见的气垫仓堵塞问题,文章以某工程所用大直径盾构为研究对象,基于
CFD数值模拟技术建立了气垫仓冲刷系统的数值仿真模型,对其气垫仓流场性能开展了研究。

研究结果表明:增大泥
水循环流量能够提升气垫仓内流场的流动性能,当泥水循环流量从2000m3/h增大至3500m3/h的过程中气垫仓内
平均速度增大了82.67%。

此外,从改变冲刷方案的角度出发,文章在原冲刷方案的基础上提出了四种冲刷方案,对四
种方案进行数值模拟。

研究发现在泥水循环流量不变的情况下,优化冲刷方案能将气垫仓内平均速度提升20%以上。

施工过程中可将增大流量可改善冲刷方式相结合来改善气垫仓流动性能,防止气垫仓堵塞。

【关键词】隧道施工;泥水盾构;CFD数值模拟;冲刷系统;流场特性;气垫仓
中图分类号:G312文献标识码:A DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2021.21.12
【Abstract】In order to solve the problem of air cushion blockage encountered in the construction of slurry shields,
this paper takes a large diameter shield used in a project as the research object,and establishes a numerical
simulation model of the air cushion scouring system based on CFD numerical simulation technology.The
performance of the flow field is studied.The research results show that increasing the slurry circulation flow can
improve the flow performance of the flow field in the air cushion chamber.When the slurry circulation flow increases
from2000m3/h to3500m3/h,the average velocity in the air cushion chamber increases by82.67%.In addition,from
the perspective of changing the scour plan,this paper proposes four scour plans on the basis of the original scour
plan,and numerically simulates the four plans.The study found that under the condition that the slurry circulation
flow is constant,the optimized flushing scheme can increase the average speed in the air cushion tank by more than
20%.During the construction process,increase the flow rate and improve the flushing method can be combined to
improve the flow performance of the air cushion and prevent the air cushion from being blocked.
【Key words】Tunnel construction;Slurry shield;CFD numerical simulation;Scouring system;Flow field
characteristics;Air cushion chamber
作者简介:赵合全（1974—），男，江苏南京人，高级工程师，现从事隧道与地下工程工作。

. All Rights Reserved.
,
,。

[8]
,、、。

[9]Fluent。

,CFD
,
,。

1数值模拟
1.1几何模型
,
1;1 V,
,。

,
,
1。

图1气垫仓冲刷模型
1.2控制方程
CFD
[10],。

:
∂ρ∂t+(ρv)=S m(1)
:
∂∂t(ρv)+Δ·(ρvv)=-Δp+Δ·(τ)+ρg+F(2)τ=μ[(Δv+Δv T)-23Δ·vI(3)
,ρ,v;S m;p;τ⎺
;ρg;F;μ;I 。

1.3网格及边界条件设置
,
100mm,
1/5;2620037。

2。

,,,
Y、9.8m/s2,standard k-epsilon,SIMPLE。

2仿真结果分析
2.1流量对气垫仓流场的影响
,。

,2000m3/h,2500m3/h, 3000m3/h,3500m3/h。

2,
1/3,, V3/V4V7,V45,V25/ 26V5,,
,。

,2。

2V45。

2
V25/26,
,V25/26
,
,
,。

,。

V25/26,。

, . All Rights Reserved.
,,
;。

,,3。

3,,2000m 3/h 3500m 3/h
,82.67%。

图3气垫仓内平均速度与流量关系图
(0,0.1],(0.1,0.2],
(0.2,0.3],(0.3,0.4],(0.4,0.5],(0.5,0.6],(0.6,0.8],(0.8,1],(1,1.2],(1.2,1.4],UDF ,,4。

4a 2000m 3/h 2500m 3/h
,[0,0.1]55%,(0.1,0.2],123.6%;(0.2,0.3];。

(0.3,1.4]44.5%,2500m 3/h 3000m 3/h 32.4%。

4b ,Y ()。

2000m 3/h 2500m 3/h (0.1,1.4]49.1%,2500m 3/h 3000m 3/h 36.1%,3000m 3/h 3500m 3/h 26.4%。

Y 。

4c ,Z ()[-0.2,-0.1),
a 流量Q =2000m 3/h
b 流量Q =2500m 3/h
c 流量Q =3000m 3/h
d 流量Q =3500m 3/h
图2不同流量下气垫仓中间平面速度分布. All Rights Reserved.
,Z
;Z[-0.3, -0.2)
,Z[-0.5,-0.3)
,Z [-1.4,-0.5)3000m3/h
,3500m3/h。

a速度大小
b Y向速度
c Z向速度
图4流体体积与流量关系图
,
,
,。

Y
,Z,
;
,4
2750m3/3000m3/h
,3000m3/h(0.1,1.4]
2500m3/h 1.13。

2.2现有冲刷方案优化
,
,
,。

,。

,
,,
4。

V3/4,V7,V5, V25/26,V45;3000m3/h。

:
1:V5
,V5;
2:V3
,V3
;
3:;
4:3V45
V25/V26。

, 5;5
,。

42,
23.1%,4
53.6%。

3000m3/h,3500m3/h;
0.2714m/s,
20.2%,
. All Rights Reserved.。

,。

图5各方案下气垫仓内的平均流速
3结语
,。

: (1)
,。

,。

(2),
,,。

, 4。

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