超細全尾砂料漿在大直徑管道中流動特性研究

甘德清，高 鋒，陳 超，邵靜靜，孫 成

（1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術實驗室，河北 唐山 063009）

超細全尾砂料漿在大直徑管道中流動特性研究

甘德清1，2，高 鋒1，2，陳 超1，2，邵靜靜1，孫 成1

（1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術實驗室，河北 唐山 063009）

均質流在圓管中層流運動時，流速呈旋轉拋物面分布；紊流運動時，流速特征符合七分之一指數分布定律。超細全尾砂膠結充填料漿物理性質復雜，在管道內的流動特征受管徑等邊界條件影響較大。使用Fluent－3D中歐拉模型，模擬研究充填倍線為3的條件下，不同濃度超細全尾砂料漿在大直徑管道中滿管自流輸送時管道橫斷面上的流動特征。研究結果發(fā)現，灰砂比為1∶6的超細全尾砂膠結充填料漿在管道中易形成均質流，在管道橫斷面上流速沿軸線近似對稱分布；料漿濃度為64%時，200mm管道輸送的超細全尾砂膠結充填料漿為牛頓體；料漿濃度為68%時，呈現偽塑性體的流動模式；料漿濃度為72%時，呈現屈服偽塑性體的流動模式。就大于2.9m/s的高流速區(qū)域寬度而言，64%濃度料漿最大，72%濃度料漿次之，68%濃度料漿最小。

超細全尾砂；大管徑；流速分布；流動模式

目前國內外使用充填采礦法開采的礦山受開采規(guī)模的限制，使用的充填管道直徑基本小于150mm，大于150mm的充填管道的應用并不多見，目前國內還沒有出臺衡量充填管徑大小的標準，因此針對礦山充填料漿管道輸送而言，大于150mm內徑的管道可以認為是大直徑管道［1－11］。隨著國民經濟對資源需求的增大，礦山產能不斷提高，開采深度不斷增加，要求充填開采的礦山充填能力和充填深度不斷提高，大管徑自流輸送充填料漿技術成為充填開采領域研究的必然趨勢和重要內容［12－13］。超細全尾砂充填料漿物理性質復雜，管道內流動穩(wěn)定性的影響因素較多，當管徑增大時，料漿的流動特性會發(fā)生很大的變化［14］。針對直徑為200mm的充填管道，采用Fluent－3D工程流體力學軟件中歐拉多相流數值模擬版塊，研究大直徑水平管道中不同濃度的超細全尾砂膠結充填料漿在管道橫斷面上的流動特征。

1 均質流體圓管內流速分布理論

1.1 層流流速分布特征

對于實際不可壓縮黏性流體在管道中的定常層流流動，管道斷面上流速的分布函數見式（1）。

式中：Pa、Pb分別為截面a、b上的壓強，見圖1；ro為管道半徑，m；r為某質點到軸線的距離，m；μ為動力黏性系數；l為斷面a、b之間的距離，m；

由式（1）可以看出，實際不可壓縮黏性流體在管道中的定常層流流速呈旋轉拋物面分布。

圖1 流體在圓形管道內流動圖

1.2 紊流流速分布特征

在圓管紊流流速分布的研究中，應用較為普遍的流速分布公式見式（2）、式（3）。

式中：umax為管道斷面上的最大流速，m/s；k為卡門通用常數，k≈0.4；τo為流體在管壁處的切應力，Pa；y為管道斷面上質點縱坐標，m；ρ為流體密度，Kg/m3；m為指數；其余符號意義同前。

式（3）中指數m隨雷諾數和管壁粗糙度改變，當雷諾數Re＜105時，取m＝，此時式（3）稱為流速分布的七分之一指數分布［15］。

2 數值模擬實驗

2.1 歐拉模型介紹

歐拉多項流模型可以模擬多相的流動及相間的相互作用，相可以是液體、氣體、固體的任意組合。歐拉多相流模型沒有液－液、液－固（Granular）的差別。Granular流在計算時是一種簡單的固體流動，它涉及至少有一相被指定為Granular相，可以根據顆粒動力學理論計算顆粒的壓力和黏性，計算每一相物質的流動參數。各相共享單一的壓力場，對每一相都求解動量和連續(xù)性方程。計算結果給出各相的流動速度，可以對每一相的流速進行分析［16］。

2.2 數值模型建立

使用Fluent 6.3數值模擬軟件前處理器Gambit 2.2，建立數值幾何模型，對應的求解器為solver5/6。本次研究采用Fluent－3D解算器，計算精度高，對計算機內存的要求大，模型尺寸每增大一倍，計算量會增大近103倍。為了使實驗順利進行，同時不失模擬的相似性，建立數值計算模型見圖2。

圖2 L形管道數值模擬幾何模型

數值幾何模型為充填倍線為3的L型管道，管道直徑200mm，豎直管道的長度為10m，水平管道的長度為20m，彎管中心曲率半徑為500mm。在笛卡爾三維坐標系中，在XY平面上水平管道縱斷面的坐標范圍為x＝0～20m、y＝－0.4～－0.6m，水平管道中心線為y＝－0.5m。從x＝0m開始，每隔5m設置料漿流動觀測斷面。

根據實際充填鋼管內壁粗糙度，劃分網格時設置邊界層。管道直徑為200mm，設置的面網格和體網格的網格度為10mm，網格劃分結果均勻細致。設定邊界類型為速度入口（velocity－inlet）、墻體（wall）和速度出口（velocity－outlet）。

2.3 數值模擬實驗方案

2.3.1 實驗材料的物理性質

根據就近取材的原則，選擇司家營礦選廠超細全尾砂，篩分測定其粒級組成和尾砂級配，按照1∶6的灰砂比，配至濃度為64%、68%和72%的超細全尾砂膠結充填料漿，分別測定三種料漿的密度、黏度、灰漿密度和黏度、體積濃度等。結合本次研究使用的200mm管徑和1.769m/s的初始流速，計算三種料漿在L型管道中流動時的湍流強度。尾砂級配關系如表1所示，料漿物理性質測定及湍流強度計算結果如表2所示。

2.3.2 實驗參數設定

將Gambit構建的數值計算模型導入Fluent－3D解算器，檢查網格文件，確保計算域的大小符合所要進行分析的計算域尺寸和最小網格體積大于0；設定計算區(qū)域尺寸單位，根據單位換算關系對計算模型進行縮放。選擇壓力基求解器（Pressure Based），三維（3D），定長（Steady）等求解模型參數設置。選擇K－epsilon reliable model，在Multiphase中選擇Eulerian，在Material中分別定義尾砂和灰漿的物理屬性。在Phases中以灰漿為主相、以尾砂為次相，根據尾砂控制粒徑0.099mm設定尾砂的顆粒屬性（Granular）。計算尾砂相與灰漿相之間動力交換系數的曳力函數為Wen and Yu模型函數，指定尾砂碰撞的歸還系數為0.9。

設定料漿入口處絕對壓強為1個標準大氣壓，模型以Y方向為豎直方向，輸入重力加速度－9.8m/s2。設定邊界條件和計算控制參數，進行料漿管道內流動參數計算。邊界條件設定結果如表3所示。為提高計算精度，選擇二階迎風計算模式，殘差收斂精度為10－4。

2.3.3 模擬結果后處理

迭代運算至運動方程殘差值均達到設定的標準，計算停止，認為此時運動方程的計算結果已經收斂。運動方程計算殘差收斂情況如圖3所示。

表1 司家營礦超細全尾砂級配分析結果

表2 料漿物理性質和管內湍流強度

表3 邊界條件設定

圖3 料漿管道內運動方程計算殘差收斂曲線

在x＝5m、x＝10m、x＝15m、x＝20m和z＝0m處設置5個流速觀測截面，導出5個觀測截面的尾砂和灰漿流速分布云圖和流速分布散點圖，分別導出5個觀測截面上各點的尾砂和灰漿流速值，篩選出最大流速及其出現的y坐標和最小流速，以大于2.9m/s的流速分布區(qū)域作為尾砂和灰漿的高流速區(qū)域，計算不同截面處高流速區(qū)域寬度，數據處理結果如表4和表5所示。

表4 水平管道中灰漿流速數據處理結果

表5 水平管道中尾砂流速數據處理結果

3 數值模擬結果分析

分析表4和表5中數據可知，尾砂和灰漿的流動特征基本一致，在水平管道斷面上流速基本上沿管道長軸對稱分布，說明在充填倍線為3、輸送管徑為200mm條件下，控制粒徑d60＝0.099mm的超細全尾砂在管道中均勻分布，尾砂和灰漿形成的料漿以均質流的形式流動，圖4中x＝20m處尾砂在管道橫斷面上的流速分布云圖和散點圖印證了這一點。

水平管內最高流速出現在管道中心處，64%濃度的料漿在管道中的最大流速值高于72%和68%濃度的料漿最大流速值，72%濃度料漿的最大流速值略高于68%濃度料漿。以大于2.9m/s的流速區(qū)域作為料漿在管道中流動的高流速區(qū)域，64%濃度料漿的高流速區(qū)域寬度最大，72%濃度次之，68%濃度料漿高流速區(qū)域寬度最小。根據每個觀測截面上各點的尾砂和料漿流速分布，可知64%濃度的料漿的流變模型為牛頓體，68%濃度的料漿以偽塑性體的形式流動，72%濃度的料漿流動時表現出屈服偽塑性體的流動特征。的充填倍線和初始流速條件下，牛頓體的最大流速和高流速區(qū)域寬度大于偽塑性體和屈服偽塑性體，屈服偽塑性體和偽塑性體的最大流速相差不大，但屈服偽塑性體的高流速區(qū)域寬度明顯大于偽塑性體。

圖4 x＝20m處管道斷面上尾砂流速分布特征

圖5 超細全尾砂料漿在200mm管道中的流速分布

4 結論

1）在充填倍線為3的條件下、灰砂比為1∶6、控制粒徑為0.099mm的超細全尾砂充填料漿在200mm管道中自流輸送時，易形成均質流，在水平管道橫斷面上流速呈拋物線狀對稱分布。

2）灰砂比為1∶6的超細全尾砂充填料漿濃度為64%時，料漿以牛頓體向前流動；當料漿濃度達到68%左右時，超細全尾砂料漿表現出塑性流動的特征；超細全尾砂膠結充填料漿濃度達到72%時，料漿具有屈服應力，在水平管道中流動時呈現出屈服偽塑性體的流動模式。

3）在200mm大直徑管道中，相同物料、相同

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Study on flow characteristics of ultrafine full－tailings in large diameter pipe

GAN De－qing1，2，GAO Feng1，2，CHEN chao1，2，SHAO Jing－jjing1，SUN Cheng1
（1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China）

The velocity distribution of laminar flow is alike of rotating parabolic when homogenous fluid flows in cycle pipes，however the one of turbulent flow conforms to one in seven exponential distribution law.The physical characteristics of ultrafine full－tailings cemented filling slurry are complex，its flow characteristics in pipe are affected by boundary conditions significantly，such as pipe diameter.Using eulerian model of fluent－3d software，the flow characteristics on pipe cross section of ultrafine full－tailings slurries of different concentration was studied when they were transported with large diameter pipes under the condition that stowing gradient was 3.The study pointed it out that ultrafine full－tailings cemented slurry of 1∶6 cement－sand ratio is easy to form homogenous fluid，whose velocity distribution is approximate symmetry along the pipe axis；that the slurry of 64%concentration becomes Newton body when it flows in Φ200mm pipe，however，the slurry of 68%concentration flows as pseudo plastic body and the slurry of 72%flows as yield pseudo plasticity body；and that as to the width of high velocity zone in which the velocity is higher than 2.9m/s，the one of slurry of 64%is largest while the one of slurry of 72%concentration takes second place and the one of the slurry with 68%concentration is smallest.

ultrafine full－tailings；large pipe diameter；velocity distribution；flow model

高鋒（1988－），男，漢族，安徽淮北人，碩士研究生，從事采礦工藝與理論方面研究。E－mail：gao7975498＠163.com。

TD851

A

1004－4051（2015）09－0093－05

2014－06－23

國家安全生產監(jiān)督管理總局“超大規(guī)模超深井金屬礦山開采安全礦山技術”項目資助

甘德清（1962－），男，漢族，河北撫寧人，教授，博士，博士生導師，主要從事采礦工藝與理論方面研究。E－mail：gdqheut＠163.com；