充填工业泵泵头内部流场的数值模拟与分析

曾凯 宋雷震 袁子淇 蔡永彪 段弘宇

摘 要：在矿产资源开采利用的过程中产生了大量的尾矿及采空区，尾矿的堆存及采空区的存在对生态环境存在很大的隐患，充填采矿法能够有效解决尾矿及采空区问题，而充填工业泵是充填采矿工艺环节中向井下泵送尾砂的关键设备。鉴于此，利用CFD数值模拟方法研究了充填工业泵泵送料浆过程中泵头的内部流场，通过仿真结果可以直观地观察泵送时泵头内部流体的流动特性，为充填工业泵的优化设计提供参考。

关键词：充填工业泵；膏体充填；数值模拟；内部流场

中图分类号：TD454    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0058-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.015

0    引言

充填采矿法能够减量化处置矿山产生的大量尾砂固废，减少环境污染，同时防控地下采场围岩失稳和地表变形，减少矿山安全隐患，是保障矿山绿色安全高效生产的必要措施[1-2]。随着充填工艺的快速发展，膏体泵送设备也得到了长足发展，充填工业泵是向井下高压、长距离输送尾砂的关键设备之一，具有方量大、扬程高、可靠性强等特点，能够适应不同性质、不同粒径组成的尾砂输送，在矿山行业得到了广泛应用[3-6]。而泵头作为充填工业泵的出口部件，它的通过性能一定程度上影响了泵送效率，泵头中的锥阀密封总成等属于易损件，其更换难度大、配件费用高，影响了泵的维保成本。因此，有必要对充填工业泵泵头进行仿真分析。

本文通过SolidWorks三维建模软件建立泵头模型，利用ANSYS FLUENT软件进行数值模拟，研究在泵送过程中泵头的内部流场特性，为充填工业泵的优化设计提供直观的数据参考。

1    充填工业泵泵头模型建立

1.1    充填工业泵主体结构组成

如图1所示，充填工业泵主要由进料锥阀缸、出料锥阀缸、泵送活塞、水箱及主油缸等组成。在工业泵运行过程中，出料锥阀缸关闭，进料锥阀缸开启，主油缸带动活塞向后移动完成吸料动作；进料锥阀缸关闭，出料锥阀缸开启，主油缸带动活塞向前移动则完成排料动作。

1.2    充填泵泵头物理模型

该泵头是采用双入口、单出口的简单模式，计算模型如图2所示。1处及中轴线对称口为入口，直径大小为d1；2处为进料锥阀，其阀盘直径大小为d2；阀盘与入口接触位置设有锥角α1，当一侧进口锥阀闭合时则另一侧进口处锥阀处于开启状态；3处为泵头内部腔室；4为出料油缸；5为出料口，直径大小为d3。

利用ANSYS软件对泵头流道内的流体进行数值计算，经过Space Claim对模型进行前处理，将泵头的流道计算域抽取出来，得到图2（b）所示的流体域计算模型，其部分重要参数如表1所示。

2    数值模拟及理论计算

在SolidWorks软件中完成建模并将模型导入Space Claim中进行前处理，抽取流体域并划分网格。网格的质量决定了数值计算的结果是否收敛，为提高数值计算的准确性及收敛速度，采用ICEM-CFD对泵头进行结构化网格的划分，网格模型如图3所示。

高浓度尾砂可以看作是一种膏体，膏体具有浓度高、流动阻力大的特点，属于一种组成复杂的非牛顿流体。由于管道输送技术和力学的复杂性，为了方便模拟分析，假设物料为混合均匀的连续性浆体，浆体性质为宾汉姆塑性体，假定不可压缩，本文对膏体的流动采用“Bingham流体模型”，其流变方程如下：

τ2-τ0=η（1）

式中：τ2为宾汉姆流体剪切应力；τ0為流体屈服应力；η为粘度系数；dγv/dy为剪切速率；y为流体上下平行层间的距离。

为了体现膏体物料的高黏性与屈服应力，本次数值模拟中采用简单的双参数Bingham流变模型作为高浓度尾砂料浆混合液的流变学模型。

泵头工况的边界条件设置如下：

1）料浆入口：设置为速度入口，速度大小为0.3 m/s。

2）料浆出口：设置为压力出口，出口压力的表压强为3.5 MPa。

3）泵头壁面：设置为无滑移边界条件，近壁面区域采用标准壁面函数计算。

整体流域采用多面体网格划分，达到相同计算精度所需要的网格数量相对较少，收敛速度更快。网格数量515 883个，网格数量增加到1 031 766，数值解误差为2.41%，表明网格划分可以获得稳定收敛，且不受网格密度影响。

在研究尾砂这类多相固液混合物流动特性时，可以采用多相流数值模拟方法，模拟多相流的方法一般有VOF模型、MIXTURE模型、EULER模型等，而尾砂浆体是颗粒相与水泥砂浆混合形成的类似膏体的流体，与MIXTURE模型的特性相符，因此在CFD计算中采用MIXTURE模型求解。

尾砂混合流体中，固相的体积分数一般在65%左右，且在两相流中呈悬浮状态，符合Gidaspow拖拽模型的特点。Gidaspow拖拽模型中固液两相之间的交换系数KSL计算如下：

KSL=150（1-αL）+（2）

式中：αS、αL分别为固相和液相的体积分数；μL为液相粘度系数；dS为固相颗粒直径；ρ为液相密度；vS为固相颗粒的矢量速度；vL为液相的矢量速度。

离散方面采用了基于压强-速度关联算法的phase coupled simple算法和一阶迎风离散格式。

在Fluent求解器中选用MIXTURE两相流模型，设置第一相的密度为1 600 kg/m3，动力粘度为21 Pa·s，第二相设为颗粒相，设置颗粒直径为5 mm，密度为2 800 kg/m3，体积分数为0.65。

3    仿真結果及分析

充填料浆从泵头入口处由活塞挤压进入泵头腔室内，由于泵送平缓，料浆体受到的剪切力始终低于屈服应力，此时料浆体可以视作一种宾汉姆塑性体，均匀地分布在泵头内腔。充填料浆颗粒相质量流量分布云图如图4所示。

从整体上看，膏体料浆的颗粒相密度分布均匀，图中截面位置上的颗粒相质量流量分布情况的形成是由于泵送过程中尾砂会受到泵压的影响，从而分离出部分细粒级含水砂浆并迁移至泵头壁面处，形成尾砂的保护层，有利于含粗骨料膏体料浆的管道带压输送。整个腔体内的密度分布仍然存在明显差异，料浆入口处密度最大，随着通径的增大，粗骨料颗粒开始向泵头相邻侧通道扩散，并且由于受重力作用有向底部沉积的趋势。

根据流体力学可知，流体具有流动性，流体微团在受力后会发生移动和转动，宏观的表现就是充填浆体产生变速、回旋等作用，部分浆体会在腔内做旋转运动，形成漩涡，还有部分浆体会因速度方向的改变，对泵头内部产生碰撞。泵头内腔料浆速度矢量图如图5所示。由于漩涡处的物料速度远小于主通道处，带压物料会对漩涡区的物料产生卷吸作用，带动部分细粒级物料进入管道，从而使粗骨料失去细颗粒的包裹，暴露在泵斗腔体内，失去流动性，产生物料堆积的问题。泵头腔体通径的明显变化会增加漩涡区的产生。

速度云图如图6所示，料浆速度场的分布直接反映了泵头内部充填料浆的流动状态。泵头内阀门开启的主流道中料浆流体运动速度先减小再逐渐增大，壁面边界处的料浆流速趋于零，远离轴线连线方向的流体由于黏性作用未产生明显滑移，速度趋于零。整体的速度分布规律基本符合Bingham体。腔体壁面主要是由细颗粒与胶固粉混合的浆体组成，粘度系数大，所以泵送阻力高，料浆在近壁面处的流速明显降低。而中间区域的粗颗粒骨料其粘度系数小，泵送阻力低，在液压推力的作用下，料浆整体做加速运动，出口收缩段速度较大，在泵主缸往复作用下会在出口处产生周期性疲劳磨损，速度梯度的产生也会加剧粗颗粒与含水砂浆之间的分离，从而引起粗颗粒在泵头出口端的淤积堵塞。

4    结论

本文在对充填泵泵头进行模型简化并合理设置边界条件的情况下进行数值仿真，得到了泵头在正常工况下的流场。综合分析流场结果，在泵头的流场分布及性能改进上有以下结论：

1）从速度云图及速度矢量图可以得出，料浆体碰到表面尖锐不规则处会产生漩涡区，且流体的运动速度加快，这些位置的磨损要比其他区域更为剧烈。

2）泵头腔体运用流线型设计可以较好地改善泵头的通过性能，流道内角度的缓慢变化可以减少漩涡区的产生，从而降低物料离析沉积的概率。

3）流道截面形状及通径的变化会导致料浆颗粒的不规则运动，进而产生涡旋，增加压力损失，并且有粗颗粒堆积堵塞出口的风险。

[参考文献]

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[2] 李夕兵，刘冰，姚金蕊，等.全磷废料绿色充填理论与实践[J].中国有色金属学报，2018，28（9）：1846-1865.

[3] 侯强，郭天宇，王现国.选矿厂尾砂充填工业泵液压动力及控制系统配置[J].有色矿冶，2022，38（6）：37-40.

[4] 朱长军，李彬，李涛，等.矿用混凝土泵多功能自动控制技术[J].煤矿机电，2022，43（3）：48-52.

[5] 韩猛，张娟.混凝土泵车裙阀制造技术及应用探讨[J].散装水泥，2019（2）：57-58.

[6] 张志强，寇继磊，郭波江.泵送换向系统研究与应用[J].机床与液压，2016，44（16）：85-87.

收稿日期：2023-10-08

作者简介：曾凯（1998—），男，湖南衡阳人，硕士研究生，主要从事机械设计工作。