楊培培， 姚 心， 謝盛青， 楚金旺， 郭天宇， 駱嘉輝

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

高濃度及膏體充填采礦技術(shù)是國(guó)內(nèi)近幾年發(fā)展較為迅速的一種充填技術(shù)，因其安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為建設(shè)綠色礦山和無(wú)廢礦山的重要手段。但是充填需要一定的成本，如何在材料配比、充填料制備輸送等方面創(chuàng)新、降低充填成本、提高充填的可靠性、減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)尾礦充填技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大的意義。

高濃度及膏體充填料的輸送性能[1-3]是工業(yè)生產(chǎn)上的重要參數(shù)，管道輸送的沿程阻力大小決定了充填料能否順利達(dá)到采場(chǎng)和空區(qū)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水力充填管道輸送沿程阻力的計(jì)算有十余種經(jīng)驗(yàn)公式，如杜蘭德公式、金川公式等。但是具體礦山膏體充填使用的材料千差萬(wàn)別，其流變特性也差別較大，既有的計(jì)算公式雖然有參照價(jià)值，直接引用往往會(huì)造成較大的誤差。針對(duì)特定礦山的充填，通常需通過(guò)半工業(yè)、工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值仿真來(lái)獲得膏體充填的輸送性能。其中半工業(yè)、工業(yè)試驗(yàn)難度大，周期長(zhǎng)，消耗大量的人力和物力，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只適用于特定的礦山、特定的生產(chǎn)工況，難以推廣應(yīng)用到其他礦山；而數(shù)值仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確模擬尾礦充填輸送的壓力、流速和沿程阻力，成為尾礦充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化的重要手段。但是一個(gè)完整的仿真計(jì)算過(guò)程包括三維建模、高質(zhì)量網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算，每個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)都高度依賴于專業(yè)仿真軟件，要求仿真人員有極高的專業(yè)知識(shí)和仿真技術(shù)。

本文針對(duì)礦山尾礦充填輸送仿真計(jì)算，基于通用仿真軟件進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，通過(guò)編程對(duì)建模、網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算軟件的聯(lián)合開(kāi)發(fā)完成全封裝設(shè)計(jì)。用戶在使用過(guò)程中只需要與編寫的操作界面進(jìn)行交互，通過(guò)腳本文件將用戶輸入的參數(shù)傳遞給建模和網(wǎng)格劃分軟件驅(qū)動(dòng)模型和網(wǎng)格更新，驅(qū)動(dòng)仿真計(jì)算軟件完成仿真分析。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化建模、交互式網(wǎng)格劃分和自動(dòng)化仿真計(jì)算設(shè)置，對(duì)尾礦充填管路輸送性能研究具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

1 尾礦充填輸送仿真平臺(tái)

1.1 三維建模過(guò)程

三維參數(shù)化建模方法分為兩種，第一個(gè)是編程法，第二個(gè)是尺寸驅(qū)動(dòng)法[4]。編程法參數(shù)化建模過(guò)程完全由程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不需要擁有模型庫(kù)就能生成想要的模型，而尺寸驅(qū)動(dòng)法是通過(guò)修改現(xiàn)有模型庫(kù)中的參數(shù)從而獲得新模型。

國(guó)內(nèi)多數(shù)礦山經(jīng)歷了幾十年的開(kāi)采歷史，充填管路系統(tǒng)隨著實(shí)際開(kāi)采的需求逐步往井下延伸，使得整個(gè)系統(tǒng)極其復(fù)雜，有些系統(tǒng)由多達(dá)百段以上的管路結(jié)構(gòu)組成。針對(duì)充填管路系統(tǒng)而言，不同礦山，充填管路結(jié)構(gòu)多變，無(wú)法通過(guò)生成模板零件僅修改尺寸就能生成滿足各種需求的管路模型。若是采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行建模，管路的建立需要大量的重復(fù)性工作，效率低，強(qiáng)度大，時(shí)間長(zhǎng)，操作過(guò)程容易出錯(cuò)。

本文基于模型驅(qū)動(dòng)的編程參數(shù)化建模方法[5]，以通過(guò)編程生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(*.dll)文件，通過(guò)輸入管徑、圓角半徑、充填管路坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生成充填管路系統(tǒng)，生成的模型如圖1所示，極大地縮短建模時(shí)間、降低建模工作量、提高效率和準(zhǔn)確率。從圖2局部管路模型可以看出，管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。

圖1 整體管路模型

圖2 局部管路模型

1.2 網(wǎng)格劃分過(guò)程

網(wǎng)格劃分是仿真計(jì)算的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格質(zhì)量和形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模產(chǎn)生重大影響，直接決定了數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精度、求解的收斂性以及求解速度，并且網(wǎng)格劃分階段所花費(fèi)的時(shí)間也占整個(gè)仿真分析時(shí)間的很大比例。

本文通過(guò)對(duì)網(wǎng)格劃分軟件的二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)極少的參數(shù)控制，生成高質(zhì)量的六面體主導(dǎo)的模型網(wǎng)格。實(shí)現(xiàn)方式是預(yù)先定制網(wǎng)格劃分的方式，結(jié)構(gòu)尺寸，入口和出口邊界的命名等操作，生成模板文件，將三維模型導(dǎo)入該模板文件，選取相應(yīng)的入口面、出口面，完成模型的網(wǎng)格劃分。以局部的網(wǎng)格分布為例說(shuō)明，如圖3所示。

圖3 局部網(wǎng)格分布

1.3 仿真計(jì)算過(guò)程

Fluent采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)，可以準(zhǔn)確模擬尾礦充填輸送的壓力、流速和沿程阻力，成為尾礦充填系統(tǒng)方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化的重要手段。在Fluent對(duì)CFD問(wèn)題計(jì)算之前，需要進(jìn)行導(dǎo)入網(wǎng)格模型文件、網(wǎng)格檢查、選擇求解器、計(jì)算模型、指定物理材料、邊界條件、初始化等設(shè)置。這個(gè)過(guò)程包含了大量相同或相似的操作，引起了極大地人員和時(shí)間浪費(fèi)，也加大了實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

Fluent軟件為滿足用戶的特定需求提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，如通過(guò)UDF修改流體物性參數(shù)、修改控制方程、用戶自定義標(biāo)量輸運(yùn)方程等；通過(guò)圖形用戶界面(GUI)收集用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，利用Scheme語(yǔ)言結(jié)合TUI(Text User Interface)和UDF實(shí)現(xiàn)仿真流程控制；利用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言構(gòu)建GUI界面輸入用戶參數(shù)，生成定制的jou文件，將jou文件作為參數(shù)由Fluent進(jìn)行調(diào)用。

Fluent中journal文件包含了用戶進(jìn)行的一系列操作的命令集合[6-7]。用戶在Fluent命令行中輸入的所有命令和在圖形用戶界面(GUI)中輸入的所有內(nèi)容都會(huì)記錄為journal代碼，從而形成日志文件。對(duì)此日志文件進(jìn)行參數(shù)化編輯后，可保存為Fluent標(biāo)準(zhǔn)的日志文件。Fluent日志文件支持兩種類型的操作命令，一種是通過(guò)在Fluent窗口中操作菜單時(shí)記錄在日志文件中的命令；一種是基于Fluent提供的用于TUI(Text User Interface)模式下的命令行控制方式，通過(guò)在命令控制臺(tái)輸入相關(guān)命令來(lái)控制Fluent。

本文通過(guò)編寫控制臺(tái)輸入的相關(guān)命令和進(jìn)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算過(guò)程的二次開(kāi)發(fā)。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文針對(duì)某深部礦山充填系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)情況，采用上述基于通用仿真軟件二次開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)，建立一比一礦山充填管道輸送模型，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算研究輸送介質(zhì)在不同工況條件下(不同濃度和流量)對(duì)其管道輸送的影響，著重對(duì)管道系統(tǒng)的沿程阻力損失及彎管受力情況進(jìn)行分析，并與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最終得到全尾砂充填料漿管道自流輸送的最佳運(yùn)行參數(shù)。

2.1 流量對(duì)沿程壓力分布的影響

圖4所示為濃度68%的沿途壓力損失，豎直管路的管道壓力從上到下逐漸增大，根據(jù)粘性流體伯努利方程分析可知，重力勢(shì)能的減少值大于這段管路的沿程阻力損失值，壓力增大。顯然，水平管路的管道壓力逐漸減小，因?yàn)橥黄矫?，重力?shì)能不變，沿程阻力損失的存在使管路壓力逐漸降低。

圖4 濃度68%時(shí)管路沿程壓力分布

圖5所示為不同流量時(shí)管路沿程阻力損失的對(duì)比分析，隨著流量的增加，沿程阻力損失逐漸增大。濃度一定時(shí)，充填料漿在管道輸送過(guò)程中，阻力損失與料漿流量相關(guān)，呈正比關(guān)系，流量越大，阻力損失越大。

圖5 流量對(duì)沿程阻力損失的影響

2.2 濃度對(duì)沿程壓力分布的影響

圖6所示為不同料漿濃度時(shí)管路沿程阻力對(duì)比分析。顯然，隨著濃度的增加，出口處壓力值大幅度降低，沿程阻力損失大幅度增加。即濃度與沿程阻力損失成正比例關(guān)系，濃度越大，沿程阻力損失越大。

圖6 不同濃度時(shí)對(duì)沿程阻力損失的影響

3 結(jié)論

本文針對(duì)尾礦充填輸送基于商業(yè)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了充填管路的快速精確建模、高效仿真計(jì)算，獲取了壓力、速度、沿程阻力等結(jié)果，為工藝方案的驗(yàn)證和比選、最佳工藝參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

(1)本文基于三維建模軟件的二次開(kāi)發(fā)，給定充填管路坐標(biāo)點(diǎn)位置、管徑、轉(zhuǎn)角半徑等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維充填管路的自動(dòng)參數(shù)化建模；

(2)通過(guò)編程搭建友好的可視化界面，數(shù)值仿真計(jì)算固化后置于后臺(tái)，工藝設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置置于前臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化仿真計(jì)算；

(3)尾礦充填輸送仿真計(jì)算系統(tǒng)可用于礦山尾礦充填管路輸送壓力、流速、沿程阻力的精確模擬，快速進(jìn)行尾礦充填系統(tǒng)的方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化。

本文的研究成果可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)眾多礦山的尾礦充填輸送、智能充填系統(tǒng)研究，為方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化提供了一種準(zhǔn)確可靠的研究方法。