高溫環(huán)境下料漿輸送管流速度場特性研究

高溫環(huán)境下料漿輸送管流速度場特性研究

自充采法具有控制地壓、減少廢物排放和環(huán)境保護等優(yōu)點以來，已在近年來得到了廣泛的研究和應用。為保證安全、高效地進行料漿輸送，眾多專家學者進行了深入研究本研究在獲取高溫條件下料漿流變參數(shù)的基礎上，利用COMSOL軟件模擬高溫條件下L管大流量輸送過程中管內(nèi)速度場的分布特征，得出高溫環(huán)境下料漿輸送最佳管徑、初始流速等參數(shù)取值，為礦山充填管道輸送設計提供借鑒，同時也為進一步分析溫度變化及大流量輸送料漿對管流特性的影響提供理論依據(jù)。1試驗條件1.1料漿流場模擬本研究采用COMSOL軟件進行模擬分析，在料漿流動過程中進行以下假設(1）本次數(shù)值模擬只考慮料漿自身溫度，選取40℃、50℃、60℃作為模擬溫度的變量，并且外界環(huán)境溫度設置成室溫25℃，流動過程中不與外界發(fā)生熱交換。(2）模擬過程將料漿視為不可壓縮流體。(3）料漿在管道中處于靜止或者流動狀態(tài)時無間隙，即料漿是連續(xù)的。(4）流動過程滿足常態(tài)穩(wěn)定流，且各向力學特征一致。1.2黏度及屈服切應力充填料漿流變模型符合賓漢模型式中，τ為管道壁面的剪切應力，Pa；τ計算了不同溫度下充填料漿的塑性黏度以及屈服切應力，結(jié)果如表1所示。由表1可知：隨著溫度增加，充填料漿的塑性黏度隨之減小，屈服切應力隨之降低，但并非呈線性變化，在40℃時達到最大塑性黏度和屈服切應力（0.57Pa·s和202.63Pa），在60℃時達到最小塑性黏度和屈服切應力（0.54Pa·s和162.93Pa）。1.3納維-斯托克斯方程在充填料漿輸送過程中，一般將其認定為不可壓縮流體，流動過程中應遵循能量方程、連續(xù)性方程以及動量方程，且料漿密度保持不變(1）連續(xù)方程。方程表達式為式中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；??Vue04c為速度散度。(2）動量方程。納維-斯托克斯方程（NavierStokesEquation）是描述黏性不可壓縮流體動量守恒的運動方程，簡稱N-S方程。其矢量形式為式中，p為流體壓力，Pa；Δ為速度梯度；F為流體上的質(zhì)量力，N；?p為壓力散度；μ為動力黏度，Pa·s。(3）能量方程。充填料漿流動過程中的能量遵循伯努利方程，其表達式為式中，z、z1.4管道直徑及初始速度設計本研究利用COMSOL軟件建立輸送L管模型，豎直管道長3m，水平管道長9m，直徑選取200mm、240mm，料漿進口為豎直管道上口，初始速度選取2.5m/s、3m/s，出口為水平管道末端，具體參數(shù)如表2所示。2結(jié)果和分析2.1料漿流場分布調(diào)整為分析管道輸送過程中料漿流態(tài)變化規(guī)律，選取L管模型進行模擬，研究受重力影響下料漿流態(tài)分布。圖1表示溫度為40℃、50℃、60℃時L管模型的料漿速度變化分布情況。由圖1可知：不同溫度下料漿流動速度云圖變化基本相似，在豎直管道處，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流向下流動，在彎管處表現(xiàn)為塞流向前流動；自彎管轉(zhuǎn)向水平管后，料漿速度分布發(fā)生改變，出現(xiàn)管道內(nèi)側(cè)速度變小、外側(cè)速度變大的趨勢，料漿內(nèi)部的顆粒在重力影響下，粒徑較小的顆粒會在外側(cè)管道處形成一層能夠促進料漿向前流動的潤滑層，從而使其流動速度加快；在內(nèi)側(cè)流動的料漿顆粒之間，由于要改變運動軌道自彎管而進入水平管處，在流動過程中會發(fā)生比較劇烈的碰撞，并且顆粒與管道也會存在較大的摩擦，從而會加大顆粒與顆粒、顆粒與管道的作用力，阻礙料漿向前流動，導致流速呈現(xiàn)減小趨勢。由于受到重力影響，料漿在豎直管道處以初始速度和重力作為動力向下流動，各層料漿之間產(chǎn)生相互作用摩擦，但受到重力作用均勻，流態(tài)穩(wěn)定，料漿經(jīng)彎管流入水平管道后，重力不再是料漿向前流動的動力，顆粒間擠壓作用逐漸變小，料漿整體向前流動。因此在流動一段時間后，料漿速度分布又會慢慢恢復成塞流形式，即中心存在一個速度最大的流核區(qū)，然而溫度的改變不會對流態(tài)變化帶來嚴重的影響，流動比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)湍流區(qū)域。2.2溫度對管速度剖面的影響為研究穩(wěn)定狀態(tài)下料漿某一斷面速度受溫度的影響，選擇7.5m處斷面進行研究分析。不同溫度下料漿7.5m處速度剖面如圖2所示，不同溫度下料漿速度徑向變化如圖3所示。隨著溫度提高，料漿中心最大流動速度增大，會加劇對管道的磨損，縮短管道使用年限，本研究建議料漿輸送過程控制溫度為40～50℃，既可保證輸送流速，又能減小料漿與管道的摩擦阻力損失。2.3管道直徑、孔徑為分析穩(wěn)定狀態(tài)下管徑變化對料漿流速的影響，選取管道直徑分別為200mm和240mm進行模擬研究，結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖5可知：管道直徑為200mm時，料漿輸送在管道徑向0.05m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.15m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.10m；管道直徑為240mm時，料漿輸送在管道徑向0.05m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.17m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.12m。管道直徑為200mm時，中心區(qū)域最大流速為2.977m/s，管徑為240mm時，中心區(qū)域最大流速為2.876m/s。隨著管徑增大，塞流區(qū)域面積不斷增大，但中心流核區(qū)域最大流速逐漸減小。由于進口速度不變，即保證進口的流量一定，管道半徑與速度成反比，因此隨著管徑增大，料漿輸送速度隨之降低。管徑增大，料漿輸送顆粒之間的碰撞以及摩擦相對減小，每層流速相同的料漿之間相互阻礙的作用力隨之降低，可流動區(qū)域變大，從而導致可以達到中心塞流區(qū)域流速的料漿區(qū)域面積增大。由于礦山生產(chǎn)效率逐漸提高，需匹配相應規(guī)模料漿輸送系統(tǒng)，考慮到管徑增加會減小輸送流速，因此，本研究建議采用200mm管徑進行料漿輸送較為合理。2.4初始速度設定為分析穩(wěn)定狀態(tài)下初始速度改變對大流量輸送料漿管道流態(tài)的影響，設置初始速度為2.5m/s和3m/s進行了模擬分析。圖6為改變進口速度時管道7.5m處料漿流動速度剖面，圖7為7.5m處徑向速度變化情況。由圖7可知：當初始速度為2.5m/s時，管道最大流核區(qū)域速度為2.978m/s；當初始速度達到3m/s時，管道最大流核區(qū)域速度為3.663m/s?？梢?，隨著進口速度增加，料漿中心區(qū)域最大流速也會增加，兩者增加幅度均為20%。當進口速度為2.5m/s時，料漿輸送在管道徑向0.06m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.15m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.09m；當進口速度為3m/s時，料漿輸送在管道徑向0.06m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.15m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.09m，說明進口速度變化對中心塞流區(qū)域面積的影響較小。隨著初始速度增加，在管徑不變的情況下，管道輸送過程中的流速會增大，盡管初始速度增加會導致進口流量增大，但料漿顆粒之間的碰撞以及顆粒與管道之間的摩擦會大幅提高，阻礙作用增大，進而導致速度增加幅度沒有提高。為減小摩擦生熱以及阻力損失，滿足礦山生產(chǎn)需求，本研究認為采用初始流速2.5m/s進行料漿輸送最為合適。3輸送溫度對管道流核的影響本研究利用COMSOL軟件進行了L管模型的數(shù)值模擬，分析了充填料漿流動過程中的流態(tài)和流速變化，得出以下結(jié)論：(1）溫度對充填料漿的流變參數(shù)會產(chǎn)生影響，隨著溫度提高，料漿的屈服切應力以及塑性黏度隨之降低，效果較為明顯。(2）自彎管到水平管相接處會發(fā)生速度層偏移現(xiàn)象，流態(tài)分布都由對稱塞流變?yōu)樽陨隙滤俣忍荻戎饾u增大的流動模式，并且隨著流動進行，又會恢復到原來塞流的狀態(tài)；彎管與水平管道相接處為流態(tài)最不穩(wěn)定的區(qū)域，也是阻力最大的區(qū)域，因此需要加強對該區(qū)域的檢查維修。(3）水平管口中心流核區(qū)最大速度隨著溫度增加而增大，說明適當增加溫度有利于充填料漿輸送，減少料漿輸送阻力損失；最大流速流核區(qū)面積隨著溫度增加而減小，在60℃時達到最小，在40℃時達到最大，變化幅度不大，可控程度較高。(4）隨著管徑增大，塞流流核區(qū)面積增大，中心最大流速減??；隨著進口速度增加，料漿中心區(qū)域最大流速不斷增加，但對中心塞流區(qū)域的影響較小。因此在保證大流量的前提下，適當增加管徑及初始流速有助于提高充填效率。(5）為保證礦山生產(chǎn)需求，減小摩擦阻力損失，延長輸送管道使用年限，本研究建議礦山料漿輸送溫度控制在40～50℃、管徑取200mm、初始流速取2.5m/s。由圖3可知：溫度為40℃時，在管道徑向0.06m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.15m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.09m，徑向最大流速達到2.978m/s；溫度為50℃時，在管道徑向0.06m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.13m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.07m，徑向最大流速達到3.039m/s；溫度為60℃時，在管道徑向0.07m處開始出現(xiàn)最大流核區(qū)域，在0.12m處達到區(qū)域最大化，中心最大流核區(qū)徑向長度為0.05m，徑向最大流速達到3.135m/s。隨著溫度升高，中心最大流核區(qū)域面積不斷減小，中心流核區(qū)域最大流速在增大，變化幅度減小，說明由于溫度提高，料漿初