孟秀峰，白玉奇，王瑩瑩

(1.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600；2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100083；3.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100070)

近年來礦山充填開采在國內(nèi)得到了巨大的發(fā)展，由于高濃度充填料漿在管道內(nèi)的運動狀態(tài)非常復(fù)雜、理論性的預(yù)測非常困難，給礦山充填管路的設(shè)計帶來了困擾。隨著超高速大容量電子計算機(jī)的出現(xiàn)，為研究流體在管道中流動的數(shù)值計算研究提供了便利。利用實測參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，運用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法，可以得到合理結(jié)果。許多學(xué)者對充填料漿的管道局部損失的研究做了大量的工作，GuohuiGan[1]利用數(shù)值模擬的方法研究了主管和支管不同流量比時垂直三通管路分流的壓力損失系數(shù)，利用k-ε模型計算并指出了該模型對于分流三通具有較大的誤差。J.Perez[2]利用實驗和數(shù)值模擬研究三通管道的內(nèi)部可壓縮流動，并對湍流模型的計算精度進(jìn)行了分析。石喜[3]運用實驗對比和數(shù)值模擬的方式，得到分流三通管的局部損失系數(shù)隨分流比變化的表達(dá)式。本文以垂直的三通管路為研究對象，通過ANSYS中workbench數(shù)值計算平臺，利用Fluent流體軟件建立數(shù)值模型，模擬充填料漿在三通管路中的運動狀態(tài)，并計算出壓力損失與阻力系數(shù)，對礦山進(jìn)行充填管路設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 充填料漿物理參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)實驗測量充填料漿的物理參數(shù)與性質(zhì)，用以指導(dǎo)數(shù)值計算的參數(shù)選擇。其中，全尾砂來自北京周邊，膠凝材料選擇普通32.5硅酸鹽水泥，灰砂比1∶4，充填料漿的質(zhì)量濃度78%。充填料漿的密度為2186kg/m3。采用ICAR混凝土流變測試儀，獲得其流變參數(shù)的初始切應(yīng)力τB=74.27Pa，塑性粘度η=2.45Pas。具體的物理參數(shù)見表1、表2，全尾砂粒級分布曲線如圖1所示。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)

表2 全尾砂粒級組成

圖1 全尾砂粒級分布曲線

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型

在礦山進(jìn)行充填工作時，為了保證對井下某一工作面充填工作的順利進(jìn)行，要用閥門關(guān)閉其它充填管路。常用的垂直三通管路的幾何模型如圖2所示，充填料漿以一定的流速v在管道中流動，從料漿的入口穿過整個管道，從出口流出。此處的入口和出口均為數(shù)值模擬過程的邊界，并非實際意義上的入口和出口。幾何模型中所采用的垂直三通管件，主管和支管的管徑均為150mm，其中，O點到截面1-1、截面4-4、截面6-6的距離均為3m，O點到截面2-2、3-3和5-5的距離均為0.5m。垂直三通管的工作模式主要有兩種，分別為90°流通和180°流通。

圖2 垂直三通管路幾何模型圖

2.2 數(shù)值模型

利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM-CFD對垂直三通管進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分方法為O型切分法。坐標(biāo)原點設(shè)置在主管和直管軸線交點，沿垂直三通管的水平流通方向設(shè)置為X軸，沿垂直的流通方向設(shè)置為Z軸方向[4]。

高濃度的充填料漿在管道輸送中，一般情況下可近似認(rèn)為是含固體顆粒的固液兩相流[5]，可以利用 Fluent 中的多相流模型。鑒于本文中的充填料漿的粒級較粗，+200μm以上粒級含量大于45%，流體中的粗顆粒在漿體的推動下移動，其實質(zhì)是固液耦合多相流[6，7]?？紤]到料漿整體粗細(xì)顆粒相互耦合對流動的影響，以及充填料漿相間的曳力作用和升力作用，認(rèn)為采用Eulerian模型進(jìn)行數(shù)值分析較為合適。

模型的邊界條件設(shè)置如下：①管道的入口邊界條件為速度入口，入口速度設(shè)置見表3；②管道的出口邊界條件為壓力出口，出口截面的相對靜壓設(shè)為0.5MPa；③管道壁面條件設(shè)為無相對滑移的固壁邊界條件。實驗方案見表3。

表3 實驗方案

3 數(shù)值計算

3.1 壓力損失

高濃度的充填料漿在三通管道中流動，壓降方程可以表示為：

P1=P2+ΔP1+ ΔP2+ΔP

式中，P1，P2分別為三通管件兩個流通截面之間的相對靜壓，Pa；ΔP1為截面2-2到O點處截面的直管段沿程阻力壓降，Pa；ΔP2為O點處到截止面的直管段沿程阻力壓降，Pa；ΔP為三通管件的局部阻力壓降，Pa。

3.2 局部阻力系數(shù)

近似認(rèn)為充填料漿濃度較高時，其在管道中的運動狀態(tài)屬于穩(wěn)定流，因此根據(jù)伯努利方程，得到的能量守恒關(guān)系式為[8]：

式中，P0為截面2-2的相對靜壓，Pa；P1為截面5-5的相對靜壓，Pa；P2為截面3-3的相對靜壓，Pa；v0為主管的平均流速，m/s；v1為主管—直管的平均流速，m/s；v2為主管—側(cè)管的平均流速，m/s；hy01，hy02分別為截面2-2到截面5-5、截面2-2到截面3-3的沿程阻力，Pa；hj01，hj02分別為90°流通和180°流通的局部阻力，Pa。

充填料漿的沿程阻力計算公式[9]：

式中，li為管徑Di的管道長度，m；fi為管徑Di的管道摩擦阻力系數(shù)，Pa/m。

其中摩擦阻力系數(shù)fi的計算公式如下：

式中，ui為管徑為Di的管道流速，m/s。

流體的局部壓損失與假設(shè)截面上的動壓之比叫做流體的局部阻力系數(shù)。三通管的局部阻力系數(shù)ζ的計算公式為：

式中，ζ01、ζ02分別為90°流通與180°流通的局部阻力系數(shù)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 充填料漿運動過程分析

通過對高濃度的充填料漿在垂直三通管道中運動過程的數(shù)值模擬計算，得出料漿在兩種運動模式下的壓力、速度分布云圖以及顆粒運動的流線圖，如圖3～7所示。

圖3 90°流通的管道壓力分布云圖

圖4 90°流通的管道速度分布云圖

圖5 180°流通的管道壓力分布云圖

圖6 180°流通的管道的速度分布云圖

圖7 兩種流通方式的顆粒流線

1)充填料漿在90°流通模式時，料漿在入口處壓力開始降低，進(jìn)入三通管件時靜壓在截面3-3到截面4-4管段的壓力降低較為明顯。料漿在三通管件的前后都處于穩(wěn)定的層流狀態(tài)，流經(jīng)三通管時，流速受到擾動，料漿的粘性力不再是影響其流動形式的主要外力，可以看出料漿在截面5-5處形成了漩渦回流，消耗了流體的機(jī)械能，使得局部阻力明顯增大，對截止閥門造成了一定的沖蝕磨損。截止閥門處的漩渦是由層流處外層較低流速的流體進(jìn)入截止管路引起的，隨著流速的增大，漩渦在不斷的擴(kuò)大，漩渦消耗的能量在不斷增加，局部損失與局部阻力系數(shù)也隨著增長。

2)在180°流通模式時，料漿在管道內(nèi)的整體特征與直管類似，只是在三通管截止閥處形成了穩(wěn)定且呈均勻分布的靜壓。同樣在90°管路截止處形成了漩渦回流區(qū)，但是回流區(qū)的速度明顯小于料漿的主要流速，對截止閥的磨損相對較小。兩種料漿的運動模式都在三通管的截止閥處產(chǎn)生了漩渦回流，消耗了料漿的機(jī)械能，對截止閥造成了一定的沖蝕破壞。

4.2 管道壓力分布規(guī)律分析

通過Fluent數(shù)值計算分析，獲得各截面加權(quán)平均壓強(qiáng)值，根據(jù)不同截面壓強(qiáng)差值，分析兩種運動方式下充填料漿的局部管道的壓力分布規(guī)律，充填料漿在三通管中的壓力損失、局部阻力系數(shù)見表4、表5。局部阻力壓降和沿程阻力壓降之間的關(guān)系如圖8所示。

表4 兩種料漿流動方式的管道壓力損失

表5 局部阻力系數(shù)

圖8 兩種模式下的局部阻力曲線

經(jīng)過分析認(rèn)為高濃度的充填料漿在兩種流通方式下，流速相同時，三通管道中局部壓力損失明顯大于沿程壓力損失。料漿流速越大，局部壓力損失和沿程壓力損失也逐漸增大。三通管件90°流通，流速相同的情況下，充填料漿通過兩個流通截面之間的局部壓降是直管沿程壓降的兩倍多，而180°流通時，充填料漿通過兩個截面的局部壓降相比90°流通時的情況出現(xiàn)了明顯的下降，90°流通方式下的局部阻力系數(shù)明顯小于180°流通模式下的局部阻力系數(shù)。

5 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬計算給出了不同流速下的充填料漿在流經(jīng)垂直三通管件時的兩種流通模式下的沿程阻力與局部阻力損失，以及顆粒的運動狀態(tài)。

2)隨著流速的逐漸增加，三通管件的兩種流通模式的局部阻力損失與沿程阻力損失均呈現(xiàn)增大趨勢。計算出兩種流通模式下的局部阻力系數(shù)，得出90°流通時的局部阻力系數(shù)明顯高于180°流通的情況。

3)料漿在三通管件的前后都處于穩(wěn)定的層流狀態(tài)，流經(jīng)三通管時速度受到擾動，料漿的粘性力不再是影響其流動形式的主要外力，位于三通管件的截止處均會產(chǎn)生漩渦回流，這種回流消耗了料漿運動的機(jī)械能，增大了局部阻力并對管件造成沖蝕磨損。