高温环境下料浆大流量输送管流特性研究

甘德清 孙海宽 薛振林 闫泽鹏 刘志义

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063200；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009）

充填采矿法由于具有控制地压、减少尾矿库堆积以及绿色环保等方面的优点，近年来得到了广泛研究与应用［1-2］。作为充填过程的一个重要环节，管道输送的相关理论研究开始逐渐广泛。在实际矿山管道输送过程中，对管道流速的控制较为严格，同时某些地区夏季温度较高，且料浆颗粒与管道之间摩擦、颗粒之间的相互撞击以及水化过程会产生热量，这些因素都会使料浆温度升高，流变参数发生变化，流动速度与输送阻力也会随之改变，可能导致料浆流态不够稳定，甚至可能造成管道淤积、堵管。

为保证安全、高效地进行料浆输送，众多专家学者进行了深入研究［3-4］。甘德清等［5］对大流量输送超细全尾砂料浆流动特性进行了分析，认为质量浓度为64%、管径200 mm时易形成牛顿体进行稳定流动。张修香等［6］分析了废石—尾砂充填料浆的流变特性，构建了该类充填料浆的塑性黏度以及屈服应力的计算模型，用于指导矿山实际充填作业。邓代强等［7］通过利用Fluent软件，对充填料浆的流动过程进行了模拟，为降低流动阻力、延长管道服务年限提供了理论依据。张亮等［8］为优化矿山充填输送参数，利用软固体流变仪，对不同浓度的料浆进行了流变试验，通过回归拟合得到塑性黏度和屈服应力后，再用ANSYS软件进行了管道输送数值模拟研究，分析得出质量浓度为72%、管径150 mm时阻力损失最小，流动性最佳。ZHOU等［9］针对隧道工程充填大直径灌浆进行了分析，通过改变充填灌浆配比，从而优化了灌浆的性能。LIU等［10］考虑到水化反应后，分析了水泥水化放热给浆体流动特性带来的影响。KAUSHAL［11］等分析了高浓度料浆管道的颗粒粒径分布，发现较粗颗粒会在低速区滑床前进。薛振林等［12］考虑了温度对全尾砂流变特性的影响，通过极差分析发现流变参数的影响因素依次为质量浓度、温度、灰砂比。贺江等［13］通过研究温度对磷石膏充填料浆屈服应力以及塑性黏度的影响，认为磷石膏料浆屈服应力和黏度会随着温度增加而增大，其输送阻力损失也会随之增加。赵国华等［14］考虑到温度是高浓度水煤浆流变特性的一个重要影响因素，以温度、剪切速率和质量浓度为变量，对充填料浆进行了黏度测试，发现流变参数与温度有一定的联系。PETIT［15］利用流变仪分析了18～30℃温度变化过程中的料浆流变特性，包括塑性黏度以及屈服应力的变化特征。KASAI［16］等研究了温度对超流动状态混凝土流变特性的影响规律，认为随着温度升高，混凝土塑性黏度会减小，并且造成该现象的原因是由于外加剂的吸附作用所致。上述研究主要是针对单一大直径输送或者温度对流变参数的影响进行理论分析，对温度改变下大流量输送充填料浆的管流特性的分析相对薄弱，无法形成良好的理论体系，且未能定量得出料浆输送温度、管径及初始流速的取值范围，无法有效满足矿山实际生产需求。

本研究在获取高温条件下料浆流变参数的基础上，利用COMSOL软件模拟高温条件下L管大流量输送过程中管内速度场的分布特征，得出高温环境下料浆输送最佳管径、初始流速等参数取值，为矿山充填管道输送设计提供借鉴，同时也为进一步分析温度变化及大流量输送料浆对管流特性的影响提供理论依据。

1 试验条件

1.1 流动假设

本研究采用COMSOL软件进行模拟分析，在料浆流动过程中进行以下假设［17-19］：

（1）本次数值模拟只考虑料浆自身温度，选取40℃、50℃、60℃作为模拟温度的变量，并且外界环境温度设置成室温25℃，流动过程中不与外界发生热交换。

（2）模拟过程将料浆视为不可压缩流体。

（3）料浆在管道中处于静止或者流动状态时无间隙，即料浆是连续的。

（4）流动过程满足常态稳定流，且各向力学特征一致。

1.2 流变特性

充填料浆流变模型符合宾汉模型［20］，模型表达式为

式中，τ为管道壁面的剪切应力，Pa；τp为流体起始具备的剪切应力（或称屈服切应力），Pa；ηp为塑性黏度，Pa·s；du/dy为剪切速率，s-1。

计算了不同温度下充填料浆的塑性黏度以及屈服切应力，结果如表1所示。由表1可知：随着温度增加，充填料浆的塑性黏度随之减小，屈服切应力随之降低，但并非呈线性变化，在40℃时达到最大塑性黏度和屈服切应力（0.57 Pa·s和202.63 Pa），在60℃时达到最小塑性黏度和屈服切应力（0.54Pa·s和162.93 Pa）。

1.3 流动方程

在充填料浆输送过程中，一般将其认定为不可压缩流体，流动过程中应遵循能量方程、连续性方程以及动量方程，且料浆密度保持不变［21-23］。

（1）连续方程。方程表达式为

式中，ρ为密度，kg/m³；t为时间，s；∇ ⋅V→为速度散度。

（2）动量方程。纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equation）是描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程，简称N-S方程。其矢量形式为

式中，p为流体压力，Pa；Δ为速度梯度；F为流体上的质量力，N；∇p为压力散度；μ为动力黏度，Pa·s。

（3）能量方程。充填料浆流动过程中的能量遵循伯努利方程，其表达式为

式中，z、z1表示流体位置，m；p、p1表示流体压力，N；γ为料浆容重，N/m³；g为重力加速度，m/s2；v、v1为流体速度，m/s；h为能量损失。

1.4 试验参数

本研究利用COMSOL软件建立输送L管模型，竖直管道长3 m，水平管道长9 m，直径选取200 mm、240 mm，料浆进口为竖直管道上口，初始速度选取2.5 m/s、3 m/s，出口为水平管道末端，具体参数如表2所示。

2 结果及分析

2.1 料浆流态分析

为分析管道输送过程中料浆流态变化规律，选取L管模型进行模拟，研究受重力影响下料浆流态分布。图1表示温度为40℃、50℃、60℃时L管模型的料浆速度变化分布情况。

由图1可知：不同温度下料浆流动速度云图变化基本相似，在竖直管道处，呈现结构流向下流动，在弯管处表现为塞流向前流动；自弯管转向水平管后，料浆速度分布发生改变，出现管道内侧速度变小、外侧速度变大的趋势，料浆内部的颗粒在重力影响下，粒径较小的颗粒会在外侧管道处形成一层能够促进料浆向前流动的润滑层，从而使其流动速度加快；在内侧流动的料浆颗粒之间，由于要改变运动轨道自弯管而进入水平管处，在流动过程中会发生比较剧烈的碰撞，并且颗粒与管道也会存在较大的摩擦，从而会加大颗粒与颗粒、颗粒与管道的作用力，阻碍料浆向前流动，导致流速呈现减小趋势。

由于受到重力影响，料浆在竖直管道处以初始速度和重力作为动力向下流动，各层料浆之间产生相互作用摩擦，但受到重力作用均匀，流态稳定，料浆经弯管流入水平管道后，重力不再是料浆向前流动的动力，颗粒间挤压作用逐渐变小，料浆整体向前流动。因此在流动一段时间后，料浆速度分布又会慢慢恢复成塞流形式，即中心存在一个速度最大的流核区，然而温度的改变不会对流态变化带来严重的影响，流动比较稳定，不会出现湍流区域。

2.2 温度对管流速度的影响

为研究稳定状态下料浆某一断面速度受温度的影响，选择7.5 m处断面进行研究分析。不同温度下料浆7.5 m处速度剖面如图2所示，不同温度下料浆速度径向变化如图3所示。

由图3可知：温度为40℃时，在管道径向0.06 m处开始出现最大流核区域，在0.15 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.09 m，径向最大流速达到2.978 m/s；温度为50℃时，在管道径向0.06 m处开始出现最大流核区域，在0.13 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.07 m，径向最大流速达到3.039 m/s；温度为60℃时，在管道径向0.07 m处开始出现最大流核区域，在0.12 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.05 m，径向最大流速达到3.135 m/s。随着温度升高，中心最大流核区域面积不断减小，中心流核区域最大流速在增大，变化幅度减小，说明由于温度提高，料浆初始屈服应力开始逐渐降低，塑性黏度减小，导致料浆流动所需的剪切应力变小，料浆颗粒之间的约束变得薄弱，最终更容易达到较高的流动速度。在温度升高过程中，料浆初始屈服切应力和塑性黏度逐渐降低，同时水分子也变得更加活跃，能够加速带动料浆向前流动，导致料浆流动速度逐渐提高，但是在中心区域向前快速推进的同时，相邻料浆流层之间的摩擦力会增大，能够达到最大流速区的料浆层便会减少，从而导致最大流速层区减小。

随着温度提高，料浆中心最大流动速度增大，会加剧对管道的磨损，缩短管道使用年限，本研究建议料浆输送过程控制温度为40～50℃，既可保证输送流速，又能减小料浆与管道的摩擦阻力损失。

2.3 管径对管道流速的影响

为分析稳定状态下管径变化对料浆流速的影响，选取管道直径分别为200 mm和240 mm进行模拟研究，结果如图4和图5所示。

由图5可知：管道直径为200 mm时，料浆输送在管道径向0.05 m处开始出现最大流核区域，在0.15 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.10 m；管道直径为240 mm时，料浆输送在管道径向0.05 m处开始出现最大流核区域，在0.17 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.12 m。管道直径为200 mm时，中心区域最大流速为2.977 m/s，管径为240 mm时，中心区域最大流速为2.876 m/s。随着管径增大，塞流区域面积不断增大，但中心流核区域最大流速逐渐减小。由于进口速度不变，即保证进口的流量一定，管道半径与速度成反比，因此随着管径增大，料浆输送速度随之降低。管径增大，料浆输送颗粒之间的碰撞以及摩擦相对减小，每层流速相同的料浆之间相互阻碍的作用力随之降低，可流动区域变大，从而导致可以达到中心塞流区域流速的料浆区域面积增大。

由于矿山生产效率逐渐提高，需匹配相应规模料浆输送系统，考虑到管径增加会减小输送流速，因此，本研究建议采用200 mm管径进行料浆输送较为合理。

2.4 初始速度对管道流速的影响

为分析稳定状态下初始速度改变对大流量输送料浆管道流态的影响，设置初始速度为2.5 m/s和3 m/s进行了模拟分析。图6为改变进口速度时管道7.5 m处料浆流动速度剖面，图7为7.5 m处径向速度变化情况。

由图7可知：当初始速度为2.5 m/s时，管道最大流核区域速度为2.978 m/s；当初始速度达到3 m/s时，管道最大流核区域速度为3.663 m/s。可见，随着进口速度增加，料浆中心区域最大流速也会增加，两者增加幅度均为20%。当进口速度为2.5 m/s时，料浆输送在管道径向0.06 m处开始出现最大流核区域，在0.15 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.09 m；当进口速度为3m/s时，料浆输送在管道径向0.06 m处开始出现最大流核区域，在0.15 m处达到区域最大化，中心最大流核区径向长度为0.09 m，说明进口速度变化对中心塞流区域面积的影响较小。

随着初始速度增加，在管径不变的情况下，管道输送过程中的流速会增大，尽管初始速度增加会导致进口流量增大，但料浆颗粒之间的碰撞以及颗粒与管道之间的摩擦会大幅提高，阻碍作用增大，进而导致速度增加幅度没有提高。为减小摩擦生热以及阻力损失，满足矿山生产需求，本研究认为采用初始流速2.5 m/s进行料浆输送最为合适。

3 结 论

本研究利用COMSOL软件进行了L管模型的数值模拟，分析了充填料浆流动过程中的流态和流速变化，得出以下结论：

（1）温度对充填料浆的流变参数会产生影响，随着温度提高，料浆的屈服切应力以及塑性黏度随之降低，效果较为明显。

（2）自弯管到水平管相接处会发生速度层偏移现象，流态分布都由对称塞流变为自上而下速度梯度逐渐增大的流动模式，并且随着流动进行，又会恢复到原来塞流的状态；弯管与水平管道相接处为流态最不稳定的区域，也是阻力最大的区域，因此需要加强对该区域的检查维修。

（3）水平管口中心流核区最大速度随着温度增加而增大，说明适当增加温度有利于充填料浆输送，减少料浆输送阻力损失；最大流速流核区面积随着温度增加而减小，在60℃时达到最小，在40℃时达到最大，变化幅度不大，可控程度较高。

（4）随着管径增大，塞流流核区面积增大，中心最大流速减小；随着进口速度增加，料浆中心区域最大流速不断增加，但对中心塞流区域的影响较小。因此在保证大流量的前提下，适当增加管径及初始流速有助于提高充填效率。

（5）为保证矿山生产需求，减小摩擦阻力损失，延长输送管道使用年限，本研究建议矿山料浆输送温度控制在40～50℃、管径取200 mm、初始流速取2.5 m/s。