郝傳波， 蒲文龍

(1.黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

管道輸送煤泥快速清淤的固液兩相流規(guī)律的數(shù)值模擬

郝傳波1， 蒲文龍2

(1.黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱150022)

針對礦井水災(zāi)煤泥淤積堵塞巷道影響應(yīng)急救援時效的關(guān)鍵問題，提出“應(yīng)急排水－快速清淤”同步救災(zāi)新模式。該模式基于固－液兩相流及顆粒動力學(xué)理論，利用Gambit三維建模和劃分網(wǎng)格，選擇歐拉模型，運(yùn)用Fluent軟件模擬了不同煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、管徑及傾角條件下的固液兩相流體規(guī)律。結(jié)果表明:管道輸送效率與管徑呈負(fù)相關(guān)、與傾角呈正相關(guān)的關(guān)系。管徑越小，煤泥漿體固體顆粒碰撞、擠壓效應(yīng)影響越大，壓降損失越大;傾角越大，管道出口高程越大、總壓差越大。最佳管道輸送參數(shù)宜為管徑250 mm、傾角應(yīng)控制約15°、煤泥漿體小于45%。

礦井;水災(zāi);煤泥;固－液兩相流;數(shù)值模擬

0 引言

煤泥淤積堵塞巷道是導(dǎo)致礦井水災(zāi)應(yīng)急救援效率低、災(zāi)區(qū)受困人員死亡的主要原因。我國礦井水災(zāi)發(fā)生后，絕大多數(shù)應(yīng)急決策是先應(yīng)急排水再清理淤積巷道，最后施救受困人員。據(jù)礦井水災(zāi)案例及救援經(jīng)驗(yàn)，災(zāi)區(qū)80%受困人員死亡是由于逃生通道受阻救援失效、氧氣耗盡所導(dǎo)致［1－2］。因此，礦井水災(zāi)快速清淤已成為安全、快速、有效應(yīng)急救援和施救災(zāi)區(qū)受困人員的關(guān)鍵問題?；诖?，筆者提出“應(yīng)急排水－快速清淤”同步救災(zāi)新思路，改變先排水再清淤的傳統(tǒng)救災(zāi)程序，其研究成果對提高應(yīng)急救援時效具有重要的實(shí)用意義。

礦井水災(zāi)“排水－清淤”同步一體的技術(shù)途徑，就是通過應(yīng)急排水管道輸送煤泥漿體。為保證管道輸送煤泥效率，防止管道輸送過程中煤泥沉淀淤積，必須對管道輸送煤泥漿體快速清淤的固液兩相流動性規(guī)律進(jìn)行研究。當(dāng)前，研究固液兩相流體管道輸送特性的手段為室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。由于固液兩相流動特性極其復(fù)雜，室內(nèi)環(huán)管實(shí)驗(yàn)測試流動參數(shù)難度大(如無法得到管道內(nèi)部漿體壓力分布和速度分布狀況)且成本高，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，故建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍受到限制［3］。隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展和不斷完善，運(yùn)用數(shù)值模擬分析計(jì)算固液兩相流體已成為一種全新的研究手段。鄧代強(qiáng)等［4］運(yùn)用Fluent軟件對料漿長距離管道輸送問題進(jìn)行了細(xì)致分析，張欽禮等［5］結(jié)合因次分析法和數(shù)值模擬軟件對高濃度超細(xì)全尾砂料漿的管道輸送阻力問題進(jìn)行了分析。李石林［6］等運(yùn)用固液兩相流的數(shù)值模擬方法研究了黏土膠結(jié)漿體管道輸送特性。郝傳波［7］等運(yùn)用Fluent軟件模擬了輸送管道為水平狀態(tài)、管徑為150 mm條件下的不同煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固液兩相流體規(guī)律?？v觀相關(guān)研究文獻(xiàn)，針對礦井水災(zāi)煤泥堵塞淤積巷道條件下，“應(yīng)急排水－快速清淤”管道輸送的固液兩相的數(shù)值模擬研究鮮有報道。

1 計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)

由于煤泥管道輸送工藝及其流動特性的復(fù)雜性，當(dāng)前仍無法求得管道輸送問題的精確解。為方便建模和計(jì)算，因此，建模和分析計(jì)算時通常假設(shè)［8］:(1)在管道輸送時將煤泥漿體視為均質(zhì)滿管流而且固體顆粒不發(fā)生相變引;(2)將煤泥漿體視為非牛頓流體，流變模型則近似于賓漢姆體，視其流動不可壓縮定常流處理;(3)將煤泥漿體的豁性視為恒定，即其不隨時間和溫度變化;(4)煤泥漿體的管道輸送過程不考慮其熱量的交換;(5)煤泥漿體的管道輸送不受振動和地壓波等的影響。

1.2 模型選擇

描述流體運(yùn)動主要有拉格朗日和歐拉法。歐拉法應(yīng)用較為廣泛，能從整個流場的角度分析流速和壓強(qiáng)的變化規(guī)律，本研究選用歐拉法。在FLUNT中，共有3種多相流模型，即流體體積模型(VOF)、混合模型(Mixture)和歐拉模型(Eulerian)，其中混合物模型可用于兩相流或多相流［9］。歐拉模型適合流體中相的混合和分離，精度較高，適合模擬煤泥和水的固液兩相。

1.3 控制方程

基于以上假設(shè)，煤泥漿體兩相流滿足流體動力學(xué)的理論，即符合三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律［10－11］。

(1)質(zhì)量守恒方程

式中:ρ——密度，kg/m3;

t——時間，s;

ui——方向上的速度分量，m/s;

xi——i方向上的位移，m;

mS——質(zhì)量源項(xiàng)，即從分散的二級相中加入到連續(xù)項(xiàng)的質(zhì)量，kg。

(2)動量守恒方程

式中:uj——i方向上的速度分量，m/s;

xj——j方向上的位移，m;

τij——應(yīng)力張量，N/m3;

gi——i方向上的重力，N;

Fi——i方向上的外部體積力，即重度(包含了模型的其他相關(guān)量)，N/m3。

(3)能量守恒方程

式中:T——溫度，K;

u——速度，m/s;

cp——比熱容，J/(kg·K);

k——流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);

ST——能量源項(xiàng)，即流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，J。

1.4 幾何模型及邊界條件

煤泥漿體管道輸送的數(shù)值模擬采用建模軟件Gambit進(jìn)行三維建模和劃分網(wǎng)格，采用流體力學(xué)軟件Fluent計(jì)算，如圖1、2所示。

圖1 管道輸送模型Fig.1 Pipeline model

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

由圖1、2可知，管道運(yùn)輸長度為2 m，管道進(jìn)口速度為流速 v0=1.5 m/s;設(shè)置煤泥顆粒密度1 400 kg/m3，煤泥粒徑0.25 mm，考慮固相可壓縮極限的局部最密體積分?jǐn)?shù)控制在70%以內(nèi)。

2 Fluent數(shù)值模擬與分析

煤泥管道輸送規(guī)律與煤泥漿體固體顆粒大小、溫度、管徑、傾角及煤泥漿體濃度等有密切關(guān)系。筆者是在水平管道煤泥漿體固液兩相流輸送規(guī)律研究基礎(chǔ)上［7］，進(jìn)一步對不同管徑、不同傾角條件下，模擬分析管道輸送煤泥漿體的固液兩相流體分布規(guī)律。

2.1 不同管徑流場規(guī)律

2.1.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬了煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、35%、45%、55%、65%條件下不同管徑(D=150、200、250 mm)的固體顆粒流場、壓強(qiáng)及流速的變化規(guī)律。由于篇幅受限，文中只展示管道傾角為30°、煤泥體積分?jǐn)?shù)為55%的模擬結(jié)果。中截面體積分布見圖3，橫截面體積分布見圖4，中截面靜壓力(出口壓力為0)見圖5，中截面流速見圖6。

圖3 不同管徑中截面體積分布Fig.3 Distribution of volume fraction in different pipe diameter

圖4 不同管徑橫截面體積分布Fig.4 Distribution of volume fraction of cross section of different pipe diameters

圖5 不同管徑中截面壓力分布Fig.5 Distribution of cross section pressure in different pipe diameters

圖6 不同管徑中截面流速分布Fig.6 Flow velocity distribution in different pipe diameter

2.1.2 結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬分析，獲得三種不同管徑條件管道輸送煤泥漿體中的固體顆粒流場、壓強(qiáng)及流速分布規(guī)律。

(1)由圖3可知，不同管徑下流場隨體積分?jǐn)?shù)變化的主要趨勢，在同一濃度條件下，隨著管徑增大，中截面固體顆粒流場濃度有所下降。這是由于管徑增大后，顆粒間距較大，顆粒的湍流脈動，尚不足以引起高頻度的顆粒碰撞、摩擦、擠壓。

(2)由圖4可知，同一濃度漿體沿豎向趨勢為，在管道進(jìn)口處顆粒分布均勻，而在管道后程受顆粒重力影響，最頂部顆粒濃度減少、底部增大;隨著管道直徑增大，無論頂部顆粒濃度和底部顆粒濃度分布趨勢都逐漸減弱。這是由于管道直徑增大后的空間釋放效應(yīng)導(dǎo)致的?？傊?，由顆粒濃度場的云圖總體形態(tài)可知，管道直徑增大后，固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極大值比原來略小(僅在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時)，而極小值均比原來略大。這同樣是管徑的空間釋放效應(yīng)，使得顆粒濃度在總體上比原來平均。

(3)隨著煤泥漿體輸送管道直徑逐漸增大，對應(yīng)某特定煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的管道進(jìn)出口壓差減小。這是由于管道直徑增大的徑向空間釋放導(dǎo)致而成，即隨著管道直徑增大，原來越靠近管壁的煤泥固體顆粒越明顯的擠壓效應(yīng)會減弱，地層劃分及參數(shù)見表1。不同濃度區(qū)間與管徑及壓差變化關(guān)系見表2。

表1 地層劃分及參數(shù)Table 1 Classification and parameters of strata

表2 不同濃度區(qū)間與管徑及壓差變化關(guān)系Table 2 Relationship between different concentration interval and tube diameter and pressure difference

由表1可知，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(w為25% ～45%)，管徑在150～200 mm和200～250 mm區(qū)間，壓降分別為1和2 Pa，壓差降低幅度比較小且比較穩(wěn)定;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(w為55%～65%)，管徑在150～200 mm和200～250 mm區(qū)間，壓降分別為280和272 Pa，下降幅度明顯增大，說明空間釋放的效果更明顯。另外，輸送管道直徑同樣增大50 mm條件下，管道直徑由200 mm增大至250 mm對其壓差的影響，就沒有管道直徑由 150 mm增大至200 mm那么明顯，說明管徑越小其壓差越受到煤泥漿體固體顆粒碰撞、擠壓效應(yīng)的影響。

由表2可知，各組相鄰上下兩級煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的壓差增加幅度，在煤泥低質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間(w= 25%～45%)，不同管徑的對應(yīng)值在400 Pa左右，壓降為1 Pa，變化幅度非常小，說明該值僅是平均密度提升引起的增量部分;在煤泥高質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間(w為45%～65%)，隨著管徑增大其對應(yīng)壓差值下降幅度較大，說明管道空間釋放效應(yīng)抵消了一部分壓力差值。

2.2 不同管道傾角流場規(guī)律

2.2.1 傾角模擬

分別模擬了煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、35%、45%、55%、65%條件下不同傾角的固體顆粒流場、流速及壓強(qiáng)的變化規(guī)律。由于篇幅受限，文中只展示煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%、管徑為150 mm的模擬結(jié)果。中截面體積分布見圖7，橫截面體積分布見圖8，中截面靜壓力(出口壓力為0)見圖9，中截面流速見圖10。

圖7 不同傾角中截面體積分布Fig.7 Distribution of sectional volume fraction in different inclinations

圖8 不同傾角橫截面體積分布Fig.8 Distribution of volume fraction of cross section of different inclinations

圖9 不同傾角中截面體積分布Fig.9 Distribution of sectional volume fraction in different inclinations

圖10 不同傾角橫截面體積分布Fig.10 Distribution of volume fraction of cross section of different inclinations

2.2.2 模擬分析

通過數(shù)值模擬分析，獲得三種不同傾角管道輸送煤泥漿體中的固體顆粒流場、壓強(qiáng)及流速分布規(guī)律。

(1)由圖7和圖8可知，傾角改變前后顆粒濃度場的圖片總體形態(tài)還比較相似;區(qū)別在于，管道傾角增大后，固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極大值比原來略小，極小值比原來略大。其原因是，當(dāng)管道從水平趨近于垂直時，顆粒沿管道橫向的沉降效應(yīng)會減弱，濃度沿軸線兩側(cè)的對稱度會有提高。

(2)由圖9可知，隨輸送管道傾角增大，壓力場的變化最為明顯。因?yàn)槌隹诟叱痰脑黾?，需要克服輸送物料的重力勢能，進(jìn)口壓力自然大幅提高，傾角越大，總壓差越大。管道傾角越大，沿軸向均勻產(chǎn)生的用以克服重力的沿程阻力越占主導(dǎo)地位，而沿徑向平面的沉降效應(yīng)所占比例越小，壓力等高線也會越接近于與管軸線垂直。

(3)對于各組相鄰上下兩級質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的壓差增加幅度，θ=15°時比θ=0°時多200 Pa左右;θ= 30°時比θ=15°時約多190 Pa?？梢?，壓差增幅中，因顆粒密度上升造成碰撞、擠壓能耗變化部分和管道傾角幾乎無關(guān)，多出來的部分，是因傾角加大引起提升高程增加造成的，見表3。

表3 不同區(qū)間及傾角與壓差關(guān)系Table 3 Elationship between different concentration interval and dip Angle and pressure difference

(4)通過模擬云圖獲得不同傾角下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)管道壓降變化值(見表4)，獲得其壓降曲線變化規(guī)律。由圖11可知，隨著管道傾角增大，壓降損失也增大;同一管道傾角下，煤泥漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于45%時壓降損失幅度較小，當(dāng)漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%時壓降損失幅度較大。因此，為提高煤泥管道輸送效率，漿體應(yīng)小于45%。由于煤礦井下救災(zāi)現(xiàn)場巷道并非水平狀態(tài)，因此，輸送管道傾角宜控制在15°左右，不宜太大，否則壓降損失更大。

表4 不同管道傾角下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)管道壓降Table 4 Pressure drop of different volume fraction underdifferent pipe inclinations

圖11 不同管道傾角條件下煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓降之間變化規(guī)律Fig.11 Changes of quality fraction and pressure drop under different pipe inclination conditions

3 結(jié)論

針對礦井水災(zāi)煤泥淤積堵塞巷道影響救援時效關(guān)鍵問題，筆者提出“應(yīng)急排水－快速清淤”同步救援模式，運(yùn)用FLUNET模擬分析了不同煤泥漿體濃度、管徑與傾角對管道輸送固液兩相流體規(guī)律，結(jié)論如下。

(1)不同管道直徑下的煤泥漿體流場規(guī)律:隨管道直徑逐漸增大，某特定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)出口壓差減小。這是由于管道徑向空間釋放，靠近管壁擠壓效應(yīng)減弱所致。這種壓差降低在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時幅度比較小且比較穩(wěn)定，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時則幅度明顯增大。

(2)不同管道傾角下的煤泥漿體流場規(guī)律:隨管道傾角增加，其出口高程也增大，進(jìn)口壓力自然大幅提高。隨傾角越大總壓差越大，沿軸向用以克服重力的沿程阻力越占主導(dǎo)地位，而沿徑向平面的沉降效應(yīng)所占比例越小，壓力等高線也會越接近于與管道軸線垂直。

(3)為提高管道輸送煤泥快速清淤效率，煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于45%，管道傾角約15°，管徑選擇250 mm最佳，否則壓降損失較大。另外，為提高清淤時效，防止管道堵塞，可充分?jǐn)嚢杳耗酀{體增加管道進(jìn)口流速。

［1］ 郝傳波，劉永立.煤礦事故應(yīng)急救援典型案例分析［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2016.

［2］ 郝傳波，張國華.煤礦井下災(zāi)后救援中垮塌巷道研究的展望［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2012，22(6):549－552.

［3］ 曹志先，魏良瑣，謝鑒衡.明渠挾沙水流的兩相流模式［J］.水利學(xué)報，1995，(4):1－12.

［4］ 鄧代強(qiáng)，朱永建，工發(fā)芝.充填料漿長距離管道輸送數(shù)值模擬［J］.安徽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，36(6):36－43.

［5］ 張欽禮，姜志良，工 石.高濃度超細(xì)全尾砂充填料漿管道輸送阻力模型［J］.科技導(dǎo)報，2014，32(24):51－55.

［6］ 李石林，馮 濤，工鵬飛.粘土膠結(jié)充填漿體管道輸送特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2013，13(6):73－76.

［7］ 郝傳波，蒲文龍，張國華.礦井“應(yīng)急排水－快速清淤”的固液兩相流數(shù)值模擬［J］.黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2017，27(1):8－12.

［8］ 劉大有.二相流體動力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1993.

［9］ 倪晉仁，王光謙，張紅武.固液兩相流基本理論及其最新應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1991.

［10］ 謝振華，宋存義.工程流體力學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［11］ 李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜.精通FLUENT6.3流場分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Simulation of law underlying solid liquid two-phase flow for rapid desilting of coal sludge in pipeline transportation

Hao Chuanbo1， Pu Wenlong2
(1.Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper is aimed at addressing the key problems of how flood coal sludge in mine flood affects the emergency relief of the roadway and proposes the new mode of synchronous disaster relief:emergency drainage-rapid desilting.The study based on solid-liquid two-phase flow and particle dynamics theory is focused on using Gambit of 3D modeling and mesh to choose the eulerian model and using Fluent software to simulate the different coal volume fraction，the diameter and angle under the condition of solid-liquid two-phase fluid.The results show that the efficiency of pipeline is negatively correlated with pipe diameter and positively correlated with dip angle，suggesting that the smaller diameter contributes to a greater effect on the collision and squeezing of coal slurry solid particle，with the resultant greater pressure drop loss;the larger tilt angle leads to the larger outlet elevation and the greater total pressure difference;the optimum parameters of the pipeline are:the pipe diameter is preferably 250 mm，dip angle should be about 15°，and the concentration of coal slurry should be below 45%.

mine flood;coal slime;solid-liquid two-phase flow;numerical simulation

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.008

TD745

2095－7262(2017)04－0359－07

:A

2017－05－14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374097;51674107)

郝傳波(1962－)男，黑龍江省寧安人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向:煤礦應(yīng)急救援與外向控制、礦山安全管理，E-mail:haochuanbo@126.com。