CN115455850A - 基于cfd-dem耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于CFD‑DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，包括如下步骤：S1，确定大粒径砂卵石地层的颗粒级配，通过开挖面积S、推进速度V、流体密度ρ _f ，颗粒密度ρ _p ，分别计算大粒径砂卵石地层中的流体质量流量和颗粒质量流量；流体即为泥浆，颗粒即为砂卵石岩渣颗粒；S2，对不同颗粒级配和形状的砂卵石颗粒进行3D扫描，基于3D扫描结果在离散元软件中组合多个球形颗粒模拟异形砂卵石岩渣颗粒。本发明考虑了泥浆流变特性和大粒径异形渣石对压力损失的影响，可以快速准确计算出大粒径砂卵石地层离心泵分布，解决实际工程难题，具有成本低、适用性广、实用性强、推广普及价值高的优点。

Description

基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系 统离心泵分布计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，属于隧道与地下工程技术领域。

背景技术

泥水盾构泥浆环流系统由离心泵、管路、泥水处理系统等组成，其作用是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工所必需的泥浆，用以稳定开挖面，同时把切削下来的岩渣等输送至地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整配比后重新运输到开挖面，实现泥浆的循环利用。泥浆和渣石的运移将不可避免的产生压力损失，计算环流系统压力损失，确定泥浆环流系统离心泵分布，是保障泥浆环流系统正常工作的必要前提。

传统的离心泵分布计算方法存在较多经验参数，且无法考虑泥浆流变特性和大粒径异形渣石对压力损失的影响，不具备可行性和精确性。因此，有必要提出一种可行性和精确度更高、具有普遍适用性的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布的方法。

发明内容

基于此，为了解决现有离心泵分布计算方法经验参数多、无法考虑泥浆流变特性和大粒径渣石对压力损失的影响的问题，本发明提供了一种基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，泥水盾构环流系统包括离心泵、管路和泥水处理系统，其作用是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工所必需的泥浆，用以稳定开挖面，同时把切削下来的岩渣输送至地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整配比后重新运输到开挖面，实现泥浆的循环利用；

包括如下步骤：

S1，确定大粒径砂卵石地层的颗粒级配，通过开挖面积S、推进速度V、流体密度ρ_f，颗粒密度ρ_p，分别计算大粒径砂卵石地层中的流体质量流量和颗粒质量流量；流体即为泥浆，颗粒即为砂卵石岩渣颗粒；

S2，对不同颗粒级配和形状的砂卵石颗粒进行3D扫描，基于3D扫描结果在离散元软件中组合多个球形颗粒模拟异形砂卵石岩渣颗粒；

S3，采用H-B流变模型模拟泥浆；

S4，基于CFD-DEM耦合技术，建立泥浆-大粒径砂卵石耦合计算数值模型；

S5，分别计算水平、竖直、不同弯曲角度和不同弯曲半径管路的压力损失；

S6，依据地质勘察报告和泥水盾构环流系统场地布置，明确泥水盾构环流系统关键节点高程变化和离心泵扬程，最终确定离心泵分布。

S1中，确定大粒径砂卵石地层的颗粒级配的方法为：现场筛分；第一级颗粒级配是20～50mm，第二级颗粒级配是50～100mm，第三级颗粒级配是100～150mm。

S2中，首先采用3D扫描仪3D扫描工程现场不同颗粒级配和形状的砂卵石岩渣颗粒，得到20～150mm砂卵石岩渣颗粒的stl几何尺寸模型，然后在离散元软件EDEM中导入stl几何尺寸模型，通过组合直径小于20mm的球形颗粒得到直径大于20mm的异形砂卵石岩渣颗粒，对于直径小于20mm的砂卵石岩渣颗粒直接用球形颗粒模拟；异形砂卵石岩渣颗粒为非球形砂卵石岩渣颗粒。

S3中，所述H-B流变模型中，

其剪应力τ与应变率γ^&的关系表述为：

γ^&＝0(|τ|≤τ₀)

使用同轴圆筒测量系统CCT-40获得泥浆流变曲线；

对测得试验数据采用H-B流变模型拟合，得到τ₀为屈服应力，k为粘度系数，n为幂律指数；

在fluent流体仿真软件中采用H-B流变模型模拟泥浆。

所述泥浆流变曲线为膨润土泥浆流变曲线。

S4中，包括以下步骤：

流体相通过连续性方程和动量守恒方程进行求解；

所述连续性方程为：

其中：t为时间，α_f为流体的体积分数，ρ_f为流体密度，U_f为流体速度矢量。

所述动量守恒方程为：

其中：τ_f为粘性应力张量，P_f为流体压力，g为当地的重力加速度，取9.81m/s²，F_pf是所有砂卵石岩渣颗粒对流体施加的力；

在管道运输的过程中，砂卵石岩渣颗粒受到其他砂卵石岩渣颗粒、泥浆和管壁的作用，采用牛顿第二运动定律对砂卵石岩渣颗粒运动进行描述；

对于砂卵石岩渣颗粒平动和转动：

其中：m_i，U_p,i，I_i和ω_i分别为砂卵石岩渣颗粒i的质量，速度，惯性运动和角速度；F_c,ij，F_d,ij和T_ij分别为砂卵石岩渣颗粒i与其他砂卵石岩渣颗粒之间的岩渣接触力，粘性阻尼力和扭矩，F_c,iw，F_d,iw和T_iw分别为砂卵石岩渣颗粒i与排浆管道内壁面之间的接触力，粘性阻尼力和扭矩；F_f,i为流体相作用在砂卵石岩渣颗粒i上的力；

砂卵石岩渣颗粒与流体间的相互作用力主要由浮力F_B，曳力F_D和压力梯度F_P组成；流体相作用在砂卵石岩渣颗粒上合力为：

F_Pf＝F_B+F_D+F_P

泥浆浮力F_B为：

泥浆曳力F_D为：

压力梯度F_P为：

其中：ρ_p是砂卵石岩渣颗粒的密度，d_p是砂卵石岩渣颗粒的粒径，U_p是砂卵石岩渣颗粒的速度，μ_e是流体的有效粘度，砂卵石岩渣颗粒的雷诺数Re_p和曳力系数C_D计算如下：

其中：μ为流体动力粘度，下标p代表颗粒；

a₁，a₂，a₃是常数，由Morsi and Alexander依据流体雷洛数Re给出如下：

S5中，包括以下步骤：

建立水平直线管路CFD-DEM耦合模型，计算水平直管单位长度压力损失；

建立竖直直线管路CFD-DEM耦合模型，计算竖直直管单位长度压力损失；

建立不同弯曲角度β的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失；

建立不同弯曲半径R的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失。

S6中，包括以下步骤：

确定出泥水盾构环流系统纵向高程变化，各关键节点之间的距离；

确定离心泵扬程L；

确定两个离心泵之间使用的弯头数量；

进一步的，两离心泵之间总压力损失为；

ΔP＝E_i+E_j+E_k+ΔΡ_G

其中：E_i为水平直线管路总压力损失，E_j为弯头段的总压力损失，E_k为竖直直线管路总压力损失，ΔP_G为由最高位置与最低位置的高程差值Δh引起的重力势能损失；

ΔΡ_G＝ρ_fgΔh

其中，ρ_f为流体的密度；g为当地重力加速度，取9.81m/s²；Δh为两点间高程差值；

依据离心泵扬程L必须大于两离心泵之间总压力损失ΔP的原则，确定离心泵分布。

所述关键节点包括排浆离心泵、进浆离心泵、盾构机和泥浆池。

本发明的有益效果在于：

1.本发明对不同尺寸形状的卵石颗粒进行3D扫描，在离散元软件EDEM中组合多个球形颗粒填充3D扫描几何模型，精确考虑异形岩渣对压力损失的影响。

2.本发明在计算流体力学软件Fluent中采用H-B流变模型模拟泥浆，可以精确模拟非牛顿流体的流变特性。

3.本发明可以通过更改渣石级配、粒径大小、质量流量、管路直径等参数，对不同工况条件下管路压力损失进行计算，适用于不同的工程。

4.本发明具有成本低、精度高等显著优点，可以较容易确定大粒径砂卵石地层管路压力损失和离心泵分布，解决实际工程重大难题。

本发明的方法包括：通过现场筛分确定砂卵石地层的颗粒级配，对不同尺寸形状的卵石颗粒进行3D扫描，在离散元软件EDEM中组合多个球形颗粒填充3D扫描几何模型，以建立异形岩渣模型；在计算流体力学软件Fluent中采用H-B流变模型模拟泥浆；基于CFD-DEM耦合技术建立泥浆-大粒径砂卵石耦合模型；分别计算水平、竖直、不同弯曲角度和不同弯曲半径管路的压力损失；依据地质勘察报告和环流系统场地布置，明确环流系统关键节点高程变化和离心泵扬程等信息，最终确定离心泵分布。本发明考虑了泥浆流变特性和大粒径异形渣石对压力损失的影响，可以快速准确计算出大粒径砂卵石地层离心泵分布，解决实际工程难题，具有成本低、适用性广、实用性强、推广普及价值高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中提供的现场筛分渣石颗粒级配；

图3为本发明实施例中提供的异形渣石模型；

图4为本发明实施例中提供的膨润土泥浆H-B流变曲线；

图5为本发明实施例中提供的水平管路压力损失云图；

图6为本发明实施例中提供的竖直管路压力损失云图；

图7为本发明实施例中不同弯曲角度β的管路压力损失云图；

图8为本发明实施例中不同弯曲半径R的管路压力损失云图；

图9为本发明实施例中离心泵分布未知量；

图10为本发明实施例中离心泵最终分布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，包括以下步骤：

S1，通过现场筛分确定砂卵石地层的颗粒级配，通过开挖面积S、推进速度V和渣石密度ρ计算渣石质量流量M，M＝SV/ρ；

S2，对不同颗粒级配和形状的卵石颗粒进行3D扫描，基于3D扫描结果在离散元软件中组合多个球形颗粒模拟异形岩渣；

S3，采用H-B流变模型模拟泥浆；

S4，基于CFD-DEM耦合技术，建立泥浆-大粒径砂卵石耦合计算数值模型；

分别计算水平、竖直、不同弯曲角度和不同弯曲半径管路的压力损失；

依据地质勘察报告和环流系统场地布置，明确环流系统关键节点高程变化和离心泵扬程等信息，最终确定离心泵分布。

S1中，通过筛分机对大粒径卵石样本进行筛分得到颗粒级配。

S2中，绘制砂卵石地层粒径分布曲线，得到不同粒径砂卵石占比。

通过3D扫描仪对不同粒径和形状的砂卵石颗粒进行3D扫描，得到砂卵石精确几何模型，基于3D扫描结果在离散元软件中组合多个球形颗粒模拟异形岩渣，包括：

采用3D扫描仪对不同粒径和形状的砂卵石颗粒进行3D扫描，得到异形渣石stl几何文件；

在离散元软件EDEM中导入3D扫描的砂卵石stl几何文件；

通过组合多个球形颗粒的方法产生异形砂卵石岩渣颗粒。

S3中，采用H-B流变模型模拟泥浆，包括：

H-B流变模型为Herschel-Bulkley模型，由于其广泛的适用性，经常被用来描述新拌混凝土、泥浆、含颗粒悬浮液等材料，在Herschel-Bulkley模型中，其剪应力τ与应变率γ^&的关系可以表述为：

γ^&＝0(|τ|≤τ₀)

其中：τ₀为屈服应力，k为粘度系数，n为幂律指数。

使用同轴圆筒测量系统CCT-40获得膨润土泥浆流变曲线；

对测得试验数据采用Herschel-Bulkley模型拟合，得到τ₀为屈服应力，k为粘度系数，n为幂律指数等参数。

在fluent流体仿真软件中采用H-B流变模型模拟泥浆。

S4中，基于CFD-DEM耦合技术，建立泥浆-大粒径砂卵石耦合计算数值模型，包括：

流体相通过连续性方程和动量守恒方程进行求解。

所述连续性方程为：

其中：t为时间，α_f为流体的体积分数，ρ_f为流体密度，U_f为流体速度矢量。

所述动量守恒方程为：

其中：τ_f为粘性应力张量，P_f为流体压力，g为当地的重力加速度，取9.81m/s²，F_pf是所有岩渣对流体施加的力。

在管道运输的过程中，岩渣受到其他岩渣、泥浆和管壁的作用，采用牛顿第二运动定律对渣石运动进行描述。

对于颗粒平动和转动：

其中：m_i，U_p,i，I_i和ω_i分别为岩渣i的质量，速度，惯性运动和角速度；F_c,ij，F_d,ij和T_ij分别为岩渣i与其他岩渣之间的岩渣接触力，粘性阻尼力和扭矩，F_c,iw，F_d,iw和T_iw分别为岩渣i与排浆管道内壁面之间的接触力，粘性阻尼力和扭矩；F_f,i为流体相作用在岩渣i上的力。

岩渣与流体间的相互作用力主要由浮力F_B，曳力F_D和压力梯度F_P组成。流体相作用在岩渣上合力为：

F_Pf＝F_B+F_D+F_P

泥浆浮力F_B为：

泥浆曳力F_D为：

压力梯度F_P为：

其中：ρ_p是颗粒的密度，d_p是颗粒的粒径，U_p是颗粒的速度，μ_e是流体的有效粘度，颗粒的雷诺数Re_p和曳力系数C_D计算如下：

其中：μ为流体动力粘度，下标p代表颗粒；

a₁，a₂，a₃是常数，由Morsi and Alexander依据流体雷洛数Re给出如下：

分别计算水平、竖直、不同弯曲角度β和不同弯曲半径R管路的压力损失。

建立水平直管CFD-DEM耦合模型，计算水平直管单位长度压力损失。

建立竖直直管CFD-DEM耦合模型，计算竖直直管单位长度压力损失。

建立不同弯曲角度β的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失。

建立不同弯曲半径R的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失。

依据地质勘察报告和项目建设规划，明确隧道纵向和泥水分离设备等环流系统关键节点高程变化和离心泵扬程等信息，确定离心泵分布，包括：

确定出环流系统纵向高程变化，各关键节点之间的距离；

确定离心泵扬程L；

确定两个离心泵之间使用的弯头数量。

进一步的，两离心泵之间总压力损失为：

ΔP＝E_i+E_j+E_k+ΔΡ_G

其中：E_i为水平直线管道总压力损失，E_j为弯头段的总压力损失，E_k为竖直直线管道总压力损失，ΔP_G为由最高位置与最低位置的高程差值Δh引起的重力势能损失：

ΔΡ_G＝ρ_fgΔh

其中，ρ_f为流体的密度；g为当地重力加速度，取9.81m/s²；Δh为两点间高程差值。

依据离心泵扬程L必须大于两离心泵之间总压力损失ΔP的原则，即可确定离心泵分布。

具体地，如图1所示，一种基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，以用于泥水盾构离心泵分布的计算。具体包括如下步骤：

S1：图3为本实施例提供的颗粒级配曲线，颗粒级配通过现场筛分获得。

依据工程现场实际情况，泥浆质量流量为191kg/s、比重为1150kg/m³、渣石质量流量为15.6kg/s，比重为2500kg/m³。

S2：图3为本实施例提供的异形渣石模型，首先通过3D扫描工程现场典型渣石得到20～150mm渣石的几何尺寸模型，然后在离散元软件EDEM中组合球形颗粒填充的方法得到异形岩渣精细模型，对于直径小于20mm的渣石用球形颗粒模拟。

S3：图4为本实施例提供的膨润土泥浆流变曲线，使用同轴圆筒测量系统CCT-40和叶片测量系统VT-40-20得到了两条相似的膨润土泥浆流变曲线，两组试验数据均采用Herschel-Bulkley模型拟合良好，选取其中一条作为实施例中H-B模型泥浆参数，屈服应力为屈τ₀＝4.598Pa服应力，粘度系数k＝0.886Pa·sⁿ，幂律指数n＝0.654。在fluent流体仿真软件中采用H-B流变模型模拟泥浆。

S4：通过CFD-DEM耦合计算方法计算不同形式管路的压力损失。

本实施例中，为了保证颗粒运动信息的动态准确性，FLUENT的时间步长需为EDEM的整数倍，比例为1:1～100:1。为保证在EDEM迭代计算过程中流场信息不发生大幅度改变，需要将FLUENT的时间步长控制到足够小。所述实施例中FLUENT的时间步长为0.0001s，EDEM的时间步长为0.1s，步长比例为10:1，EDEM的数据保存间隔为0.1s。

图5为本实施例提供的直径250mm的水平管路计算结果，可以看出：水平直管压力损失约为700Pa/m。

图6为本实施例提供的直径250mm竖直管路计算结果，可以看出：竖直管道压力损失约为1250Pa/m。

图7为本实施例提供的不同弯曲角度β的管路计算结果，可以看出，管道弯转角度越大，总压力下降越显著，其中当管道弯转角度在20°～50°之间时，弯转角度每增加10°，进口与出口之间的压力损失增加131Pa；当管道弯转角度在50°～90°之间时，弯转角度每增加10°，进口与出口之间的压力损失增加471Pa，压力损失ΔP与弯头角度θ基本呈二次函数关系。

图8为本实施例提供的不同弯曲半径R的管路计算结果，可以看出，管道曲率半径越大，总压力下降越显著。当管道曲率半径每增加50mm时，进口与出口之间的压力损失增加约499Pa。

本实施例项目中采用的半径400mm的90°弯管，每个弯管压力损失约为5500Pa。

综上所述，本实施例水平直管道压力损失约为700Pa/m；竖直管道压力损失约为1250Pa/m，半径400mm的90°弯头压力损失约为5500Pa/个。

S5：通过查阅地质勘察报告和现场场地规划，图9为本实施例提供的环流系统离心泵分布未知量，其中P21、P22、P23为排浆离心泵、P11、P12为进浆离心泵。P21固定在盾构机上，其位置已经确定，P11位置固定在泥浆池，从P11到P12方向，高程从高到低，满足压力损失要求，P12与P22放置在相同位置，故只需要确定离心泵P22与P23位置即可。

本实施例离心泵电机功率为435kW，最大流量810m³/h，扬程(默认清水扬程)L＝69.5m，允许通过粒径180mm。扬程与压力之间的换算关系见下式：

P＝ρ×L×g

其中，P为压力，单位为Pa；g为当地重力加速度，取9.81m/s²；ρ为水的密度，取1000kg/m³，计算得离心泵所能提供最大压力值P为0.681MPa。

由图9可知，渣浆由水平直管道从盾构开挖面经团九二期2标隧道、2#盾构井、团九二期1标隧道，再由竖直管道输送出2#二衬竖井后最终送至筛分旋流厂(排浆系统终点)，2标隧道内由2#盾构井起存在水平距离为1290m的倾斜向下隧道，其坡度为21‰，即始末两点高差为27m；1标隧道隧道以3.6‰的坡度均匀下降，始末两点高差3m，2#二衬竖井内竖直管道长20m。

本实施例取每两个离心泵之间弯头导致的压力损失为10个半径为400mm的90°竖直向上的弯头。

两点之间总压力损失为：

ΔP＝E_i+E_j+E_k+ΔΡ_G

按照总压力损失不超过离心泵扬程L的原则，即：

ΔP≤L

设P23距2#二衬竖井距离为x时其提供的压力能使泥浆和渣石到达筛分旋流处，求解得x为656m，设P23距2#盾构井距离为y时其提供的压力能使泥浆和渣石到达P23，求解得y为729m。

计算得，应至少在一标隧道内距2#二衬竖井656m位置内安放排浆泵(P23)、二标隧道内距2#盾构井729m内安放排浆泵(P22)、盾构到达终点时各离心泵仍满足压力损失要求。

考虑到一定的安全储备，最终本实施例最终确定将P23安放在一标隧道内距2#二衬竖井542m位置处，P22安放在二标隧道内距2#盾构井574m处，盾构达到终点时仍满足环流系统压力损失要求。

图10为本实施例提供的离心泵最终分布结果。

本实施例提供了一种基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法。该方法包括：通过现场筛分确定砂卵石地层的颗粒级配，对不同尺寸形状的卵石颗粒进行3D扫描，在离散元软件EDEM中组合多个球形颗粒填充3D扫描几何模型，以建立异形岩渣模型；在计算流体力学软件Fluent中采用H-B流变模型模拟泥浆；基于CFD-DEM耦合技术建立泥浆-大粒径砂卵石耦合模型；分别计算水平、竖直、不同弯曲角度和不同弯曲半径管路的压力损失；依据地质勘察报告和环流系统场地布置，确定出环流系统关键节点高程变化；结合环流系统高程变化、不同形式的管路压力损失、离心泵扬程等信息，确定离心泵分布。本发明可以快速准确计算出大粒径砂卵石地层离心泵分布，解决实际工程难题，具有成本低、适用性广、实用性强、推广普及价值高的优点。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组间可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组间组合成一个模块或单元或组间，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组间。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被所述机器执行时，所述机器变成实践本发明的设备。

在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的所述程序代码中的指令，执行本发明的方法。

以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.基于CFD-DEM耦合技术的大粒径砂卵石地层泥水盾构环流系统离心泵分布计算方法，泥水盾构环流系统包括离心泵、管路和泥水处理系统，其作用是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工所必需的泥浆，用以稳定开挖面，同时把切削下来的岩渣输送至地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整配比后重新运输到开挖面，实现泥浆的循环利用；

其特征是，包括如下步骤：

S1，确定大粒径砂卵石地层的颗粒级配，通过开挖面积S、推进速度V、流体密度ρ_f，颗粒密度ρ_p，分别计算大粒径砂卵石地层中的流体质量流量和颗粒质量流量；流体即为泥浆，颗粒即为砂卵石岩渣颗粒；

S2，对不同颗粒级配和形状的砂卵石颗粒进行3D扫描，基于3D扫描结果在离散元软件中组合多个球形颗粒模拟异形砂卵石岩渣颗粒；

S3，采用H-B流变模型模拟泥浆；

S4，基于CFD-DEM耦合技术，建立泥浆-大粒径砂卵石耦合计算数值模型；

S5，分别计算水平、竖直、不同弯曲角度和不同弯曲半径管路的压力损失；

S6，依据地质勘察报告和泥水盾构环流系统场地布置，明确泥水盾构环流系统关键节点高程变化和离心泵扬程，最终确定离心泵分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S1中，确定大粒径砂卵石地层的颗粒级配的方法为：现场筛分；第一级颗粒级配是20～50mm，第二级颗粒级配是50～100mm，第三级颗粒级配是100～150mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S2中，首先采用3D扫描仪3D扫描工程现场不同颗粒级配和形状的砂卵石岩渣颗粒，得到20～150mm砂卵石岩渣颗粒的stl几何尺寸模型，然后在离散元软件EDEM中导入stl几何尺寸模型，通过组合直径小于20mm的球形颗粒得到直径大于20mm的异形砂卵石岩渣颗粒，对于直径小于20mm的砂卵石岩渣颗粒直接用球形颗粒模拟；异形砂卵石岩渣颗粒为非球形砂卵石岩渣颗粒。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S3中，所述H-B流变模型中，

其剪应力τ与应变率γ^&的关系表述为：

γ^&＝0(|τ|≤τ₀)

使用同轴圆筒测量系统CCT-40获得泥浆流变曲线；

对测得试验数据采用H-B流变模型拟合，得到τ₀为屈服应力，k为粘度系数，n为幂律指数；

在fluent流体仿真软件中采用H-B流变模型模拟泥浆。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述泥浆流变曲线为膨润土泥浆流变曲线。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S4中，包括以下步骤：

流体相通过连续性方程和动量守恒方程进行求解；

所述连续性方程为：

其中：t为时间，α_f为流体的体积分数，ρ_f为流体密度，U_f为流体速度矢量。

所述动量守恒方程为：

其中：τ_f为粘性应力张量，P_f为流体压力，g为当地的重力加速度，取9.81m/s²，F_pf是所有砂卵石岩渣颗粒对流体施加的力；

在管道运输的过程中，砂卵石岩渣颗粒受到其他砂卵石岩渣颗粒、泥浆和管壁的作用，采用牛顿第二运动定律对砂卵石岩渣颗粒运动进行描述；

对于砂卵石岩渣颗粒平动和转动：

其中：m_i，U_p,i，I_i和ω_i分别为砂卵石岩渣颗粒i的质量，速度，惯性运动和角速度；F_c,ij，F_d,ij和T_ij分别为砂卵石岩渣颗粒i与其他砂卵石岩渣颗粒之间的岩渣接触力，粘性阻尼力和扭矩，F_c,iw，F_d,iw和T_iw分别为砂卵石岩渣颗粒i与排浆管道内壁面之间的接触力，粘性阻尼力和扭矩；F_f,i为流体相作用在砂卵石岩渣颗粒i上的力；

砂卵石岩渣颗粒与流体间的相互作用力主要由浮力F_B，曳力F_D和压力梯度F_P组成；流体相作用在砂卵石岩渣颗粒上合力为：

F_Pf＝F_B+F_D+F_P

泥浆浮力F_B为：

泥浆曳力F_D为：

压力梯度F_P为：

其中：ρ_p是砂卵石岩渣颗粒的密度，d_p是砂卵石岩渣颗粒的粒径，U_p是砂卵石岩渣颗粒的速度，μ_e是流体的有效粘度，砂卵石岩渣颗粒的雷诺数Re_p和曳力系数C_D计算如下：

其中：μ为流体动力粘度，下标p代表颗粒；

a₁，a₂，a₃是常数，由Morsi and Alexander依据流体雷洛数Re给出如下：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S5中，包括以下步骤：

建立水平直线管路CFD-DEM耦合模型，计算水平直管单位长度压力损失；

建立竖直直线管路CFD-DEM耦合模型，计算竖直直管单位长度压力损失；

建立不同弯曲角度β的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失；

建立不同弯曲半径R的管路CFD-DEM耦合模型，计算弯头压力损失。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，S6中，包括以下步骤：

确定出泥水盾构环流系统纵向高程变化，各关键节点之间的距离；

确定离心泵扬程L；

确定两个离心泵之间使用的弯头数量；

进一步的，两离心泵之间总压力损失为；

ΔP＝E_i+E_j+E_k+ΔΡ_G

其中：E_i为水平直线管路总压力损失，E_j为弯头段的总压力损失，E_k为竖直直线管路总压力损失，ΔP_G为由最高位置与最低位置的高程差值Δh引起的重力势能损失；

ΔΡ_G＝ρ_fgΔh

其中，ρ_f为流体的密度；g为当地重力加速度，取9.81m/s²；Δh为两点间高程差值；

依据离心泵扬程L必须大于两离心泵之间总压力损失ΔP的原则，确定离心泵分布。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述关键节点包括排浆离心泵、进浆离心泵、盾构机和泥浆池。

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