DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.09.023
淹没水射流清洗地浸采铀生产井的数值模拟与分析
程巍1，雷洁珩2，雷泽勇1，李建华3
(1. 南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳，421001；
2. 南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳，421001；
3. 核工业北京化工冶金研究院 铀矿地浸技术研究所，北京，101149)
摘要：为解决淹没环境下水射流清洗地浸采铀生产井的过程难以直接观测，导致水射流压力、角度、靶距等参数设定缺乏依据的问题，通过Fluent数值模拟软件对比空气和水中水射流状态，探讨水深、出口压力、靶距以及冲击角对淹没射流的影响。研究结果表明：淹没环境对水射流效果影响很大；水深和出口压力对射流影响有限；靶距保持在13 mm以内，淹没水射流可以达到和空气中相近的流速；打击压力和切应力随着冲击角的增大而增大，但是其有效作用范围越来越小，较为合适的冲击角是60°，这可为水下清洗提供技术支持。
关键词：地浸采铀生产井；淹没水射流；去污；数值模拟
中图分类号：O358 文献标志码：A
文章编号：1672-7207（2020）09-2580-07
Numerical simulation and analysis of in-situ leaching uranium production well cleaned by submerged water jet
CHENG Wei1, LEI Jieheng2, LEI Zeyong1, LI JianHua3
(1. College of Mechanical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;
2. College of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;
3. Institute of In-situ Uranium Leaching Technology, Research Institution of Nuclear Industry Chemical Metallurgy of Beijing, Beijing 101149, China)
Abstract: In order to solve the problem that the setting parameters such as water jet pressure, angle and target distance were lack of basis due to the difficulty in directly observing the process of water jet cleaning in-situ leaching uranium production wells in submerged environment. Fluent numerical simulation software was used to compare the status of air jet and water jet, and the influence of water depth, outlet pressure, target distance and impact angle on submerged jet was discussed. The results show that the flood environment has a great effect on the effect of water ejaculation, but water depth and outlet pressure have limited effect on the ejaculation, if the target distance is kept within 13 mm, the flooded water ejaculation can reach a flow rate level similar to that in the air, and the strike force and cut stress increase with the increase of the impact angle, but its effective range is smaller and smaller, and the more suitable impact angle is 60°, which provides technical support for the underwater cleaning.
Key words: in-situ uranium production well; submerged water jet; decontamination; numerical simulation
在地浸采铀生产井中，由于溶浸液注入矿层后与矿层中的其他离子反应，生成难溶性物质，随着浸出液流经生产井过滤器并在其上富集[1]。随着工作井长时间运行，难溶性物质越积越多，引起过滤器堵塞，导致生产井流量持续性下降，极大地降低了生产效率，因此，需要对过滤器和管壁进行定期、高效的清洗。高压水射流清洗技术是利用水射流的冲力作用、动压力作用、磨削作用等去除结垢。由于过滤器位于300 m左右的水下，高围压对射流速度和动压有较大的衰减作用，为深入分析淹没水射流流动特征，探究淹没水射流的作用机理，相关研究人员进行了诸多研究。刘霄亮等[2]应用标准模型数值模拟了高压水射流去除海底管道配重混凝土的作用过程；LI等[3]通过实验验证了在水射流中加入磨料颗粒可以显著提高破岩效率；LU等[4]采用直接数值模拟的方法表征了淹没射流冲击下黏性薄膜的变形和去除动力学；张伟等[5]应用基于S-A模型的DES数值模拟方法获得了射流速度沿轴向和径向的衰减规律；郭文思等[6]采用大涡模拟方法(LES)对淹没射流紊动流场进行数值模拟得到了淹没射流的瞬态流场；陈欣欣[7]等应用基于Wray-Agarwal(W-A)湍流模型，对完全充分发展的淹没冲击水射流进行数值计算并通过实验进行了验证；ZHANG等[8]采用基于计算流体动力学(CFD)的侵蚀预测程序，对淹没液射流冲击几何进行了侵蚀预测；LEE等[9]提出了在悬沙环境下的基于流变学的三相流模型，预测淹没壁面射流引起的局部冲刷；KASHI等[10]针对射流核心的流场提出了一个解析方法，并采用数值和实验进行验证；GUO等[11]研究了在浸水射流中加入CTAC后的空化现象和气泡破裂现象；QIU等[12]研究了圆柱孔板在不同边界压力条件下的淹没射流特性，建立了水下射流的三维数值模型；温谦等[13-15]利用平面激光诱导荧光流动显示技术(LIF)和高速粒子图像测速技术(PIV)对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了测量，获得了淹没射流的衰减规律。江红祥等[16]利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型，模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。上述研究成果对淹没射流机理进行了有益探索，也为淹没水射流清洗地浸采铀生产井的数值模拟研究提供了一定借鉴。本文作者运用Fluent软件，对锥形喷嘴内外部流场进行数值模拟，分析比较不同深度、不同出口压力、不同冲击角、靶距对喷嘴射流流场的射流速度、动压力、靶面所受打击压力、剪应力等特性的影响，以便为清洗地浸采铀生产井的过滤器提供借鉴和技术支持。
1 仿真模型的建立
1.1 物理模型
根据流体力学的知识可知：细长型喷嘴的流量系数较高，其可以将更多的压力能转换为射流的速度能；喷嘴的收缩角决定喷嘴的流动阻力，收缩角越大，其流动阻力越小[17]。由于地浸采铀生产井空间狭小，需要在同一平面内对称布置多个喷嘴，提高清洗效率，所以，喷嘴也不宜过长、过大。经综合考虑，选定收缩角α=14°，入口直径 D=4 mm，出口直径d=1 mm，圆柱段长度L=2 mm，总长为15 mm。喷嘴结构如图1所示。
图1 喷嘴结构示意图
Fig. 1 Sketch map of nozzle structure
1.2 控制方程
由于高压水射流具有极大的速度和压力，属于湍流流动，控制方程采用标准的
模型。标准的湍流模型的湍动能方程和耗散率方程如下[18]：
(1)
(2)
式中：
为平均速度引起的湍动能，
(3)
为浮力引起的湍动能；
为可压缩湍流流体脉动膨胀对耗散率的影响；
为湍流黏性系数，
(4)
模型中的常数分别为：
，
，
；湍动能和耗散率的湍流普朗特数为
，
。
1.3 模型的建立和边界条件
喷嘴及其外部流场的模型结构如图2所示。其中：
为冲击角；AB为喷嘴压力入口；CD为喷嘴出口端面；GH为靶面；CE，DF，EG和FH为模型压力出口。采用ICEM软件进行建模和网格划分。对于环境介质为空气的射流，多相流模型采用VOF模型，压力出口表压为0 MPa；当环境介质为水时，湍流模型依然采用标准的模型，压力出口的压力根据条件设定。
图2 喷嘴及其外部流场的模型结构
Fig. 2 Model structure of nozzle and its external flow field
2 流场数值模拟结果和分析
2.1 淹没与非淹没环境射流的对比
在空气中进行生产井样品清洗试验，保持靶距为40 mm、冲击角为45°，压力大于等于30 MPa时即可取得较理想的清洗效果，当压力达到50 MPa时，会对样品造成破坏。现在将出口压力设为40 MPa，冲击角为90°，分别在空气中和300 m水下进行仿真分析比较，如图3所示。
图3 水中和空气中自由射流轴向速度曲线对比
Fig. 3 Comparison of axial velocity curves of free jet in water and air
由图3可知：水射流在喷嘴内部加速，在喷嘴出口15 mm处达到最大值274 m/s；虽然在水和空气中都可以达到相同的出口速度，并在20 mm内无明显变化，但是在20 mm后，水中射流产生急剧衰减，在50 mm时仅为114 m/s；而在空气中水射流可以保持很高的速度射出很远，在50 mm时射流速度为270 m/s，并且100 mm后速度仍可维持在250 m/s以上。由此可知，相对于空气中非淹没环境，淹没条件对水射流的影响是很大的。
2.2 水深对淹没水射流的影响
地浸采铀生产井内积水深度不定，且需要从上部一直清洗到底部，最深处可达300 m，保证在任何深度下高压水清洗有效果且效果相同，需要探究水深对射流具体的影响。当入口压力分别为30，40和50 MPa，出口压力(表压)为3 MPa时，模拟300 m水深下，轴向速度如图4所示；再将入口压力设为40 MPa，出口压力(表压)分别为0.01，0.1，1和3 MPa，模拟水深为1，10，100和300 m时，射流轴向速度和动压力分别如图5和图6所示。
图4 3 MPa环境压力下的轴向速度曲线
Fig. 4 Axial velocity curve of 3 MPa pressure
图5 不同水深下的轴向速度曲线
Fig. 5 Axial velocity curve under different depths
图6 不同水深下的轴向动压力曲线
Fig. 6 Axial dynamic pressure curve under different depths
由图4可知：在水深相同的水压下，入口压力分别采用30，40和50 MPa，水射流的最高速度分别为231，272和306 m/s，虽然初速度不同，但后续速度变化趋势完全相同，都是在喷嘴内部加速，喷嘴出口处到达最高速度并射出，保持高速水射流一小段之后，速度迅速下降至很低；即使最高速度不同，但是加速段长度、高速保持段长度和衰减段长度几乎相同；另外，最高速度随着压力增加而增加，模拟得出的水射流最高速度与理论计算值很接近。
由图5可知：不同水深的轴向速度变化趋势基本一致，但是伴随水深增加，出口最高速度少量下降；当水深为1 m时，最高速度为282 m/s，而300 m时最高速度为271 m/s，两者仅相差11 m/s，相对于高达280 m/s的理论出口速度，射流最高速度变化非常小。所以，在300 m水深以内，水射流速度受水深的影响很小，几乎可以忽略。
在高压水射流清洗工作中，直接表达射流对物体破坏能力的是射流作用于被清洗表面单位面积上的作用力，称之为轴向动压力[19]。由于轴向动压是关于轴向速度的方程，所以不同深度下的轴向动压力变化趋势与轴向速度完全相同。由图6可知：动压力在喷嘴内部快速增加，到喷嘴出口处达到最大并喷出，水深为1 m时，出口最高动压力约为39.2 MPa，而水深为300 m时，最高动压力约为36.8 MPa，虽然随着水深增加，最大轴向动压力和最大轴向速度一样，都有下降趋势，但是下降幅度不大，影响很小。最大动压保持一小段之后，快速衰减至很低水平。
综上所述，无论是轴向速度还是轴向动压力，水深(环境压力)对淹没水射流的影响极其有限，在入口压力相同深度不同的水中，水射流的变化趋势、最大速度和最大动压力几乎相同。该结果还可以运用在工程实际中。
2.3 靶距的选择
由图4和图5还可知：不同深度、不同出口压力下的水射流轴向速度变化趋势完全相同，都是在喷嘴射出后，迅速达到最高速度，并在约13 mm内保持最高速度，之后迅速衰减。在水射流高流速保持段，也就是水射流的核心段长度，约13 mm。显然，喷嘴出口压力和水深对于水射流的核心段几乎没有影响。由此可以推断出：在最大水深小于300 m时，水射流保持高速度区段长度一定不小于13 mm。考虑搭载装的精度以及必要的工作空隙，靶距取小于等于13 mm是比较合适的。
2.4 不同冲击角的比较
设水射流的轴线与靶面之间的夹角为冲击角，不同的冲击角会对靶面产生不同的打击压力和剪切力。分别选取15 mm靶距、40 MPa入口压力和10 mm靶距、50 MPa入口压力为2组条件，模拟水下300 m的压力，分别对冲击角为30°，45°，60°，75°和90°进行仿真分析。图7和图8所示分别为15 mm靶距、40 MPa入口压力条件下的打击压力曲线和切应力曲线；图9和图10分别所示为10 mm靶距、50 MPa入口压力条件下的打击压力曲线和切应力曲线。
图7 15 mm靶距、40 MPa入口压力下不同冲击角对应的打击压力曲线
Fig. 7 Strike force curve at 15 mm target range and 40 MPa entry pressure with different impacting angles
图8 15 mm靶距、40 MPa入口压力下不同冲击角度对应的切应力曲线
Fig. 8 Shear stress curve at 15 mm target range and 40 MPa entry pressure with different impacting angles
图9 10 mm靶距、50 MPa入口压力下不同冲击角对应的打击压力曲线
Fig. 9 Strike force curve at 10 mm target range and 50 MPa entry pressure with different impacting angles
图10 10 mm靶距、50 MPa入口压力下不同冲击角度对应的切应力曲线
Fig. 10 Shear stress curve at 10 mm target range and 50 MPa entry pressure with different impacting angles
由图7和图8可知：随着角度增加，打击压力和切应力逐渐增大，靶面受到打击力最大值的位置越来越远；在每个壁面的射流中心区，切应力分布曲线存在明显的波谷，而波谷正好对应每个壁面上打击压力最大的波峰区域，这是由于射流工作介质与环境发生了质量和动量交换，导致射流速度减小和均化[20]；虽然角度越大，打击压力和切应力越大，但有效作用范围越来越窄，冲击角从30°到60°变窄的趋势还不明显，但是当冲击角大于等于75°时，有效作用范围缩小速率迅速增加，冲击角为75°时的有效作用范围几乎比60°时减少一半；打击压力和切应力的增量不大，增长率变小，冲击角为60°时的打击压力和切应力已经处于较高水平；当冲击角为90°时，打击压力和切应力的上升曲线几乎与下降曲线重合，形成1条直线。综合考虑清洗作用范围和效率，60°是较理想的冲击角。
改变靶距和出口压力，进行第二组10 mm靶距、50 MPa入口压力模拟，结果如图9和图10所示。从图9和图10所得结果与以上分析结果相同，60°仍然是较理想的冲击角。
3 结论
1) 非淹没环境对高压水射流效果的衰减作用较小，淹没环境对高压水射流效果的衰减作用较大。
2) 水深和出口压力对高压水射流效果的影响不大。
3) 在300 m 水深下，高压水射流靶距在13 mm以内，高压水射流的流速与空气中的相近。
4) 随着冲击角增大，打击力和切应力也逐渐增大，直到90°达到最大值，但是当冲击角大于等于75°时，打击力和切应力的增长速度变小；伴随冲击角增加，其有效作用范围越来越窄，当冲击角大于等于75°时，有效作用范围缩小速率迅速增加，90°时有效作用范围最小；经综合考虑，较合适的冲击角为60°，这为地浸生产井水下清洗提供了技术支持。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期： 2020 -04 -25; 修回日期： 2020 -06 -10
基金项目(Foundation item)：国家核能开发项目(2018GHN01) (Project(2018GHN01) supported by the National Nuclear Energy Development Program of China)
通信作者：雷洁珩，博士，从事控制工程，铀矿冶机电一体化装备研究；E-mail：leijieheng@usc.edu.cn
