集束式擴孔氣動沖擊器排屑性能的仿真研究

徐海良， 周永興， 徐 聰， 趙宏強， 徐紹軍

(中南大學 機電工程學院，長沙 410083)

隨著經濟的持續發展、人口的迅速增長以及城市化進程的不斷加快，地下管線的直徑要求也越來越大，對大直徑擴孔設備的需求也日益迫切[1]。水平定向鉆機非開挖施工時，考慮到采用單個大直徑擴孔氣動沖擊器在巖石、卵礫石等復雜地層中施工存在制造和安裝困難的問題，項目組設計了一種采用三個或者三個以上的小直徑獨立沖擊器集束在一起，組合成大直徑的擴孔氣動設備──集束式擴孔氣動沖擊器[2]。其外徑為500 mm，能夠實現大直徑管線擴孔要求，在一定范圍內當孔路直徑增加時，只需增加沖擊器個數來增大集束式擴孔氣動沖擊器的直徑，實現大直徑擴孔。目前對非開挖氣動沖擊器的研究主要集中在小直徑氣動沖擊器的結構設計上。其中，張志兵等[3-5]運用空氣動力學理論，對沖擊器工作過程進行了數值計算分析，得到了沖擊器運動特性；王四一等[6-7]對沖擊器活塞作了大量研究，通過優化方法，選擇合適的活塞質量使得沖擊器的工作效率得到提高；李彥明[8]對氣動沖擊器的系統參數進行了大量的研究。大直徑的非開挖氣動沖擊器研究較少，在非開挖施工時，經常會出現巖屑堵死孔路現象，對于孔眼凈化，排屑能力缺乏研究。本文通過對集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場進行研究，為其施工應用提供理論基礎。

1 排屑流場模型

集束式擴孔氣動沖擊器結構，如圖1所示。由端蓋、分氣裝置、支架體、左右側板、氣動沖擊器和鉆桿連接裝置組成。擴孔施工時，每個沖擊器獨立沖擊，破碎巖石，同時，在鉆桿的旋轉扭矩作用下會帶動集束式擴孔氣動沖擊器轉動。巖屑和尾氣混合的氣固兩相流主要通過前次擴孔獲得的孔路排出，即從沖擊器前方排出孔外。沖擊器直徑500 mm，前次擴孔直徑為300 mm，鉆桿直徑80 mm。巖屑由巖石面釋放，進入到巖石壁面與沖擊器鉆頭面形成的混合腔內，在各獨立沖擊器的尾氣攜帶下，進入環形通路，最終排出孔外。流場入口為獨立沖擊器鉆頭上的9個排氣孔，各排氣孔直徑為22 mm，每3個排氣孔均勻分布在獨立的鉆頭上。巖石壁面與鉆頭表面形成的混合腔，高度取一個鉆齒的高度10 mm。排屑環路為內徑80 mm外徑300 mm的圓柱。

1-端蓋;2-分氣裝置;3-左側板;4-沖擊器;5-支架體;6-中心桿;7-右側板;8-鉆桿連接裝置圖1 集束式擴孔氣動沖擊器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of bundling-reaming pneumati compactor

集束式擴孔氣動沖擊器的排屑流場網格模型，主要由兩部分組成。第一部分由沖擊器排氣孔路，沖擊器鉆頭表面與巖石壁面形成的混合氣腔組成。該部分由于形狀較為復雜，采用非結構網格進行劃分。另外一部分為環形通路，結構較為簡單的圓柱結構，采用block分塊劃分為六面體網格。最終集束式擴孔氣動沖擊器網格數量約為156萬。

2 數學模型

巖石、礫卵石地層較復雜，沖擊器鉆進速度較慢，流場中固相與氣相體積比遠小于 10%。巖屑顆粒間相互影響較小，不考慮顆粒間相互作用， 采用歐拉-拉格朗日法對其流場進行數值模擬[9]，將巖屑顆粒看成離散相，在拉格朗日坐標系下進行求解。

巖屑顆粒在流場中受到壓差阻力、摩擦阻力、Basset力、壓強梯度力、 速度梯度力、慣性力和重力等的影響。其中，壓差阻力影響最大，當顆粒粒徑較大時受重力的影響明顯，其他作用力對顆粒的運動影響較小，可以不考慮。

針對沖擊器排屑流場氣固兩相流動建立數學模型，模型的控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，其控制方程參考文獻[10-11]。

氣動沖擊器排屑流場為氣固兩相湍流流動[12]，復雜的三維湍流數值計算問題如果采用直接求解對計算機性能要求較高，工程實際中通常通過近似和簡化來降低運算難度，本文利用 RNGk-ε湍流模型進行求解。

模擬時氣相為空氣，其密度為1.225 kg/m3，運動黏度為1.78×10-5Pa·s。空氣從沖擊器的排氣孔進入流場，采用質量流量入口邊界，質量流量為0.16 kg/s，出口邊界為壓力邊界，壓力值為0.10 MPa。巖屑顆粒在孔底巖石壁面釋放，其質量流量為0.46 kg/s。取顆粒粒徑5 mm，密度為2 400 kg/m3，初始速度為零。

3 數值仿真結果及分析

3.1 排屑流場氣相特性規律

3.1.1 氣相壓力特性

集束式擴孔氣動沖擊器聚集擴孔排屑流場，呈環形對稱分布，取x=0的截面即能夠較充分的反映流場內部氣相特性，x=0截面的壓力分布，如圖2所示。由圖2可知：氣流由沖擊器排氣孔排出，排氣孔入口處壓力較高，隨著氣流進入到排屑環路中，壓力逐漸降低。流場壓力在折彎處和氣腔內變化較大，排氣孔入口折彎處形成明顯的低壓漩渦，氣腔中心位置出現低壓區，氣流在靠近氣腔到環形通路的折彎位置，壓力低于環形通路其他部分。在排氣孔出口正對的近巖壁面處出現高壓區。

圖2 x=0截面氣相壓力云圖Fig.2 Pressure contours of gas phase in x=0 section

3.1.2 氣相速度特性

圖3為集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場x=0截面速度沿z軸正方向分布特性云圖。由圖3可知，氣流由排氣孔排出時，由于其截面面積較小，排氣孔內氣流速度較大，接近35 m/s；以射流形式進入到排屑環形通路后，由于環路截面面積較大，氣流速度迅速下降到約15 m/s。隨著氣流遠離排氣孔，在排屑環形通道中逐漸趨于穩定，出口處氣流速度接近2 m/s。在混合腔內，由于空間較小，氣流紊流，速度變化較大，速度梯度差接近50 m/s。混合腔內較大的速度梯度差，有利于鉆頭破碎的巖屑從巖石壁面釋放和巖屑顆粒排出孔外。

圖3 x=0截面速度分布云圖Fig.3 Distribution of velocity in x=0 section

取z為0，400 mm，800 mm，1 200 mm和出口處豎直方向上的速度數據得到速度分布曲線，如圖4所示。曲線根據所在流場的位置分為y軸正負方向兩部分。各曲線的變化趨勢為，近壁面位置氣流速度為0，遠離壁面方向速度逐漸增加，到達環路中心位置處接近最大值，后速度開始減小，到達另一壁面時，再次減小為0。在不同z位置處，速度變化曲線大致對稱，除z=0位置處，由于y軸正方向位置存在排氣孔的影響，在排氣孔處速度較大達到35 m/s，使得該位置曲線左右呈現不對稱分布。z的值越小，氣流速度曲線變化幅度越大，z=0時差值為35 m/s，z=400 mm時，差值接近8 m/s，當z位置增加到1 200 mm至出口位置時，差值減小到2 m/s。集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場環路內速度最終達到穩定，這也說明，仿真時，取z方向的距離為1 500 mm，環路流場已經達到穩定流動狀態，該段距離能夠充分反映排屑流場內氣流的變化特性情況。無須對非開挖擴孔總段距離進行仿真分析，即能夠充分預測集束式擴孔氣動沖擊器的排屑性能。

圖4 不同z位置的速度曲線Fig.4 Velocity curves in different z positions

3.2 排屑流場固相特性規律

3.2.1 巖屑顆粒濃度分布規律

排屑流場內不同截面處的顆粒濃度分布情況，如圖5所示。為了全面的反映截面巖屑濃度分布情況，忽略小部分的高濃度影響，取顆粒濃度在0～200 kg/m3范圍內的分布云圖。由圖5可知，越接近巖屑釋放面處的巖屑顆粒濃度越高，隨著遠離巖屑釋放面即隨著z軸坐標值的增加顆粒濃度越來越低。z=200 mm時，巖屑顆粒濃度相對最大，截面內巖屑分層分布，環路上半部分巖屑顆粒濃度接近0。下半部分，越靠近環路底部巖屑濃度越高，在環路最底部有明顯的巖屑床形成，下半部分巖屑顆粒濃度分布范圍主要集中在三個區域內，分別為10～20 kg/m3,40～60 kg/m3,160～200 kg/m3。z=500 mm時，巖屑濃度下降較快，最大顆粒濃度在160～180 kg/m3的范圍內，巖屑床顆粒濃度較低，集中在80～120 kg/m3之中，主要分布在靠近底部的環路中。隨著z值的繼續增加，巖屑顆粒濃度進一步降低，巖屑濃度分布逐漸均勻，并且趨于穩定。z=1 100 mm到out截面處，顆粒濃度分布變化較小，濃度分布云圖較為相似，顆粒濃度主要分布在截面下半圓，只有少量的巖屑顆粒沉積現象產生。

圖5 不同截面處顆粒濃度分布云圖Fig.5 Particle concentration distribution in different sections

為了得到集束式擴孔氣動沖擊器排屑環路內巖屑濃度隨圓周方向的變化情況，取各環路上半徑r=145 mm圓上濃度分布曲線，如圖6所示。其中z表示不同截面處半徑為145 mm，由于環路的對稱性，只分析圓左半部分巖屑顆粒濃度分布。由圖6可知，不同z值曲線變化趨勢相似，隨著y值的增加顆粒濃度增大。各曲線在y<-50mm時濃度接近于0，從y=-50 mm開始濃度呈緩慢增大趨勢，達到y=70 mm后，濃度急劇增大，在y=150 mm即通路最低點出現濃度最大值。y值一定時，不同的z曲線上顆粒濃度不同，隨著z值的增大而減小，其中曲線z=200 mm的濃度高于其它各曲線，其最大值達到616.9 kg/m3，此處顆粒體積分數達到25.7%；出口處曲線上的濃度低于其它各曲線，最大值只有76.6 kg/m3，此處顆粒體積分數為6.9%。由于z=200 mm處，離巖屑入射面距離較近，巖屑顆粒分布不均，在靠近巖屑入口位置聚集，造成了這種不同位置處，濃度差較大的情況出現。

圖6 不同z位置顆粒濃度變化曲線Fig.6 Curves of particle concentration in different z positions

為了進一步得到巖屑顆粒沿y軸軸線方向的濃度分布情況，取不同z截面上巖屑顆粒平均濃度和最大濃度分布曲線，如圖7所示。由圖7可知，集束式擴孔氣動沖擊器的排屑流場中，巖屑顆粒隨著z值的增加，顆粒平均濃度值變化不大，保持在約10 kg/m3。這與反向擴孔氣動沖擊器施工時平均濃度值變化趨勢相似，都是由擴孔鉆進速度為勻速，擴孔鉆頭面積不變而造成的。不同z截面的最大濃度變化較為明顯，隨著z值的增加，顆粒最大濃度先迅速下降，后緩慢下降，并趨于穩定值，z=200 mm的截面處，顆粒最大濃度值為640.9 kg/m3，而出口處顆粒最大濃度值下降為134.6 kg/m3。巖屑顆粒濃度最大值在擴孔排屑流場中發生明顯變化的主要原因是，隨著z值的增大，巖屑顆粒離入射面距離增加，在氣流的帶動下，巖屑顆粒流動逐級趨于穩定，顆粒在流場中分布也變得逐漸均勻，使得聚集的顆粒逐漸分散分布，導致最大顆粒濃度下降。由于重力的影響使得顆粒在流場底部聚集，還是會造成一定的濃度差。

圖7 z軸方向不同位置處截面巖屑濃度分布曲線Fig.7 Curves of cuttings concentration distribution at different locations in z axis

3.2.2 巖屑顆粒軌跡分布規律

集束式擴孔氣動沖擊器擴孔施工時巖屑顆粒由巖石表面釋放，在氣流壓差力和鉆頭的作用下，進入到巖石壁面與集束式沖擊器鉆頭端面形成的氣腔內。受重力的作用，當巖石粒徑較大時不能隨氣流快速運動到排屑流場內，而沉降到氣腔底部，并與壁面反復碰撞，形成較為復雜無規律的軌跡(如圖8排屑流場左端所示)。當巖屑顆粒進入到環形通路后巖屑軌跡逐漸穩定流暢，氣壓和氣流速度較低，巖屑運動速度也隨之下降，運動過程中只會與環路壁面發生碰撞，跳躍前進，形成較規則的軌跡。巖屑顆粒軌跡出現分層分布，環路底部顆粒軌跡跳躍高度較小，處于疏密流狀態，上層巖屑顆粒軌跡跳躍高度較大，處于懸浮前進狀態。圖8為集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場不同直徑巖屑顆粒的運動軌跡圖。圖8中，由上到下，粒徑分別為0.1 mm，1 mm，5 mm，10 mm的四組顆粒，每組顆粒12顆均勻分布在x=0截面與巖石壁面的交線上。

圖8 集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場顆粒軌跡Fig.8 Particle trajectory in cuttings flow field of bundling-reaming pneumatic impactor

由圖8可知，不同粒徑巖屑顆粒在相同的流場中，軌跡變化較為明顯。巖屑顆粒粒徑為0.1 mm時，由于受到重力的影響較小，氣流對顆粒的作用較為明顯，在排屑流場左端，巖屑顆粒沒有明顯的沉積，沉積到鉆頭與巖石壁面形成的氣腔底部的顆粒較少。巖屑顆粒進入到環形排屑通道后，軌跡流暢，分布均勻，顆粒為均勻流。隨著巖屑顆粒直徑的增加，重力對軌跡影響明顯，流場左端有明顯的巖屑顆粒軌跡聚集現象，同時環形通路內，在重力的影響下，巖屑顆粒向底部聚集并跳躍前進。隨著巖屑直徑的增大，跳躍前進的幅度越來越小，巖屑顆粒的軌跡也變得越來越不規則，粒徑過大將會導致環形通路內顆粒的沉積產生。四種粒徑顆粒在環路中輸運的逃逸情況，如表1所示。

表1 不同粒徑顆粒逃逸情況Tab.1 The escapes of different particle sizes

集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場中不同直徑顆粒運動速度隨時間變化曲線，如圖9所示。圖9(a)～圖9(d)依次為直徑為0.1 mm，1 mm，5 mm，10 mm的巖屑顆粒速度特性曲線。由圖9可知，隨著粒徑的增加，巖屑顆粒在流場中停留的時間逐漸增大。粒徑為0.1 mm時，顆粒在通道內停留的時間較短接近1.6 s，顆粒在環形通路中運動時，與壁面碰撞較少，同時在環路內的運動速度較慢，最終以接近0.7 m/s的速度在環路內運動。粒徑為1 mm時，由于重力的影響，顆粒在流場中停留的時間達到2.2 s，巖屑顆粒與排屑流場壁面碰撞增加，運動速度也隨之增大，在環形通路中，以接近1.5 m/s的速度運動。巖屑顆粒直徑為5 mm時，巖屑顆粒在流場中的停留時間為3.6 s，巖屑顆粒與環路壁面的碰撞次數明顯增多，巖屑顆粒速度變化頻率加大，環路中最終速度接近2 m/s。巖屑顆粒直徑為10 mm時，巖屑顆粒在流場中停留的時間為4.2 s，相對于0.1 mm粒徑時間增加3倍，這是由于巖屑顆粒粒徑增大，受到重力影響明顯，巖屑顆粒在流場中反復碰撞，導致停留的時間增大，最終速度接近2 m/s。

圖9 不同粒徑顆粒運動速度隨時間變化曲線Fig.9 The changing curves of different sizes particle's motion velocity with time

3.3 鉆進速度對排屑能力的影響

當氣相質量流量為0.16 kg/s時，集束式擴孔氣動沖擊器的鉆進速度不同，產生的巖屑質量流量也會隨著鉆進速度的增加而增大，排屑流場的攜巖能力也會隨之改變。為分析不同鉆進速度下集束式沖擊器排屑性能，分別選取2.1 m/h,4.2 m/h,8.4 m/h,12.6 m/h和16.8 m/h(對應的固相質量流量分別為0.23 kg/s,0.46 kg/s，0.92 kg/s，1.38 kg/s和1.84 kg/s)五種不同的鉆進速度進行模擬計算，得到不同鉆進速度下排屑流場出口截面濃度分布，如圖10所示。由圖10可知：隨著鉆進速度的增加排屑能力下降，巖屑顆粒濃度在排屑流場中分布變化較大。當鉆進速度為2.1 m/h時，巖屑顆粒濃度較低，分布較為均勻，沒有出現明顯的巖屑沉積現象，出口截面顆粒濃度主要集中在小于20 kg/m3范圍內。當鉆進速度為4.2 m/h時，環路出口截面顆粒濃度分布開始出現差異，靠近環路底部區域濃度為40～60 kg/m3，由于重力的影響，顆粒主要分布在環路的下半部分。當鉆進速度增加到8.4 m/h時，環路出口截面開始出現明顯的巖屑床層，且開始占據環形通路底部，巖屑顆粒濃度在80～140 kg/m3的區域占到環路1/3高度。速度由12.6～16.8 m/h時，巖屑濃度急劇增大，巖屑顆粒濃度大于80 kg/m3的區域占到環路1/2高度。由于環路內濃度過高時巖屑體積分數將會過大，導致巖屑顆粒在環路內的輸運受阻，為了保證環路內巖屑能夠順利通過環形排屑流場，氣相質量流量為0.16 kg/s時，應該保證集束式擴孔氣動沖擊器非開挖施工時的鉆進速度小于8.4 m/h。

圖10 不同鉆進速度時粒濃度分布Fig.10 Particle concentration distribution in different drilling speeds

出口巖屑濃度分布云圖是為了全面顯示整個截面內濃度變化情況，選擇顆粒濃度范圍為0～200 kg/m3，實際當鉆速達到12.6 m/h時，巖屑顆粒最大濃度>200 kg/m3。為了進一步確定不同鉆速時，巖屑顆粒濃度具體數值大小，選擇不同鉆進速度時出口截面圓上半徑為r=145 mm的圓上顆粒濃度分布曲線，如圖11所示。由于圓上左右兩邊巖屑濃度對稱分布，只選擇左半部分上的顆粒濃度在y軸上的投影進行分析。

圖11 不同鉆進速度濃度分布曲線Fig.11 Curves of concentration distribution in different drilling speeds

由圖11可知，不同鉆進速度下，該半圓上的濃度分布曲線變化趨勢相似，先接近于0，在y=-100 mm處開始緩慢增大，到達y=50 mm時，巖屑顆粒濃度急

劇增大。不同鉆進速度的濃度曲線變化率不同，曲線v=16.8 m/h變化最大，相對濃度差值最高。相同y位置時，曲線v=16.8 m/h的顆粒濃度大于其它各鉆速下的濃度值，該曲線上濃度最大值達到600 kg/m3。v=2.1 m/h濃度曲線曲率變化最小，相對濃度差值最低，相同y位置時，曲線v=2.1m/h的顆粒濃度小于其它各鉆速下的濃度值，該曲線上濃度最大值不到50 kg/m3。 當顆粒濃度為120 kg/m3時，巖屑在氣固兩相流場中的體積分數達到5%，為了保證排屑順暢，集束式擴孔氣動沖擊器擴孔施工時鉆進速度應該保證在小于8.4 m/h的范圍內。

3.4 入口氣相流量對排屑能力的影響

為研究氣相質量流量對集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場的影響，保持鉆進速度為4.2 m/h，即進入到排屑流場的巖屑顆粒質量流量為0.46 kg/s，選取氣相質量流量分別為0.08 kg/s,0.12 kg/s,0.16 kg/s,0.20 kg/s和0.24 kg/s進行仿真計算，分別得到五種工況下出口處截面的巖屑顆粒濃度分布,如圖12所示。

圖12 不同入口氣相質量流量顆粒濃度分布Fig.12 Particle concentration distribution of gas mass flow rate with different inlet

由圖12可知，隨著沖擊器排氣氣相質量流量的增加，環路內的巖屑分布逐漸均勻，沖擊器的排屑能力得到增強。當氣相質量流量為0.08 kg/s時，巖屑顆粒在環路底部聚集現象較為明顯，環路巖屑主要集中在截面的下半部分，出現3層，底部巖屑顆粒濃度集中在90～100 kg/m3，中間層的顆粒濃度集中在50～60 kg/m3，上層顆粒濃度集中在20～30 kg/m3。氣相流量增加到0.12 kg/s時，截面內巖屑顆粒濃度值明顯減小，聚集區域也減小，截面下半部分，只有底部很小區域內巖屑顆粒濃度達到80 kg/m3以上，其他區域顆粒濃度主要分布在20～60 kg/m3。當氣相質量流量為0.16 kg/s時，環路內顆粒濃度分布于0.12 kg/s時相似，但是濃度值大小有所下降。氣相質量流量達到0.20～0.24 kg/s時，巖屑顆粒濃度減小較大，截面內最大顆粒濃度值接近50 kg/m3，巖屑在環路內分布均勻。因此可以考慮增加集束式擴孔氣動沖擊器的尾氣質量流量來提高其排屑能力。過大的排氣流量，需要增大空氣壓縮機功率和改變沖擊器的結構，這點需要綜合考慮其經濟性和排屑能力。

為了全面顯示不同入口氣相質量流量時，排屑流場出口整個截面內濃度變化情況，選擇顆粒濃度范圍為0～100 kg/m3，實際當氣相質量流量為0.08 kg/s時，巖屑顆粒最大濃度超過100 kg/m3。為了更加進一步確定不同入口氣相質量流量，巖屑顆粒濃度具體數值大小，同樣選擇不同氣相質量流量時，出口截面圓上半徑為r=145 mm的半圓上顆粒濃度在y軸上的投影分布曲線，如圖13所示。

圖13 不同氣相質量流量顆粒濃度分布曲線Fig.13 Particle concentration curves of gas mass flow rate

由圖13可知，不同氣相質量流量時，r=145 mm的半圓上顆粒濃度分布曲線變化趨勢相似，由環路頂部往下，y<-50 mm的范圍內，濃度值接近于0；由y=-50 mm處開始緩慢增大，到達y=75 mm時，巖屑顆粒濃度增加速度加快，達到環路底部，即y=145 mm處顆粒濃度值達到最大。對于不同氣相質量流量的濃度分布曲線，其曲率有所不同，曲線0.08 kg/s的曲率變化最快，相對濃度差值最高。相同y位置時，曲線0.08 kg/s的顆粒濃度值大于其它各氣相質量流量下的濃度值，該曲線上濃度最大值達到120 kg/m3以上。0.24 kg/s濃度曲線曲率變化最小，相對濃度差值最低。相同y位置時，該曲線的顆粒濃度小于其它各氣相質量流量下的濃度值，該曲線上濃度最大值不到40 kg/m3。其他濃度曲線，依據氣相流量大小依次分布在這兩條曲線之間，由此可得，增大集束式擴孔氣動沖擊器的尾氣質量流量有助于增加其排屑能力。

4 結 論

(1)沖擊器排氣孔尾氣以接近30 m/s的速度進入到排屑流場，達到出口時氣體流速下降到2 m/s。流場壓力由入口到出口呈梯度分布且逐漸降低。

(2)巖屑顆粒在排屑流場內呈不均勻分布。環路截面內，沿圓周方向，上半圓周濃度接近0，下半圓周濃度越靠近底部越高。出口截面內顆粒最大濃度達到134.6 kg/m3，環路內平均濃度基本不變為10 kg/m3。

(3)隨著鉆進速度的增加，流場排屑能力下降，額定工況下破巖鉆進速度應該保持小于8.4 m/h；隨著尾氣質量流量的增加，排屑流場分布逐漸均勻，進行沖擊器設計時，應該充分考慮其尾氣攜巖特性，通過增大氣相質量流量的方法，來增加集束式擴孔氣動沖擊器排屑流場的排屑性能。