淹沒高壓水射流清洗地浸生產井過濾器的數值分析①

鐘 林， 雷潔珩， 李興鎮， 雷澤勇， 鄧 健， 雷 林

（1.南華大學 核科學技術學院，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 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001）

在鈾礦地浸生產井使用過程中，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。

對于環境介質為水的淹沒水射流的數值計算方法，眾多學者進行了相關研究，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，而且能夠表現出射流流場中漩渦、強流線的彎曲等現象［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井過濾器的流場特性進行分析。

1 數值計算

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。 噴嘴結構如圖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。

圖1 噴嘴結構示意（單位：mm）

1.2 控制方程與求解參數設置

Realizableκ-ε模型由Shih 等人于1995 年提出。渦黏公式中的系數Cu不是常數，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。 各參數取值為：c2=1.9，湍動能耗散率的湍流Prandtl 數A0=4.04，σε=1.2，湍動能的湍流Prandtl 數σκ=1.0。

在選擇壓強-速度關聯算法時，Simplec 算法因穩定性較好，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。 為驗證數值仿真方法的可靠性，利用文獻［8］的實驗數據對數值仿真方法進行驗證，結果顯示高圍壓下淹沒射流沖擊壓力的衰減趨勢數值仿真結果與實驗結果擁有很高的重合度。

1.3 流場邊界條件及網格劃分

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（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，壓力出口為3 MPa（地下水深300 m），網格劃分全部采用結構化網格，在壁面及射流邊界處加密并進行網格無關性驗證。

2 結果與討論

速度和壓力作為流場的關鍵參數，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，部分動能轉化為壓力能，滯止壓力顯著增加，產生“沖擊效應”。 隨后射流轉變為沖擊壁附近的非集中射流，在非集中射流區，水流附著在過濾器表面上，產生徑向沖蝕效應。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值仿真分析法，在二維平面內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（1 ～2 mm），增大噴嘴出口直徑可以擴大射流區域，即增大有效去污面積，之后繼續增大噴嘴直徑，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，主要與噴嘴結構和流量相關。 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，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，選擇恰當的噴嘴壓降以達到較好的清洗效果。

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值仿真分析比較，結果如圖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，靶面中心區域所受沖擊壓力最大；沖擊偏角60°，靶面中心區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，進入發散區。 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，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，水射流在噴嘴內加速，在噴嘴出口附近到達最大值，隨著噴距繼續增加，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，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 論

利用淹沒高壓水射流清洗鈾礦地浸生產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（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，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（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井過濾器時應合理選擇清洗靶距。