不同角度彎管輸送料漿不淤流速的研究①

王忠昶， 王彥文， 夏洪春

（1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

料漿的不淤流速指在管道內(nèi)運(yùn)輸充填料漿時(shí)，既可保證矸石顆粒不沉積，同時(shí)確保料漿正常輸送狀態(tài)的流動(dòng)速度。 當(dāng)入口流速小于不淤流速時(shí)，輸送過(guò)程中很可能發(fā)生堵管；料漿流速大于不淤流速一定范圍時(shí)，又會(huì)加劇管道磨損。 因此，確定合理的不淤流速，直接關(guān)系到管道運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，是料漿在管道中高效率運(yùn)輸?shù)谋ＷC［1-9］。 近年來(lái)，許多專家學(xué)者對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了研究［10-14］，并取得了諸多研究成果，但研究主要針對(duì)單一90°彎管管道，無(wú)法體現(xiàn)料漿實(shí)際輸送過(guò)程中不同角度彎管的不同輸送特性。 本文分別對(duì)75°、90°和105°彎管管道進(jìn)行建模，采用Fluent 軟件中的歐拉兩相流模型，對(duì)管道輸送過(guò)程中料漿在不同角度彎管中矸石顆粒的分布情況進(jìn)行分析，從而研究不同角度彎管中料漿不淤流速的變化情況，為實(shí)際工況中充填料漿的輸送提供理論依據(jù)。

1 管道輸送FLUENT 模型

1.1 管道輸送模型建立及參數(shù)設(shè)定

采用ANSYS 中的建模軟件Design Modeler 進(jìn)行三維管道建模，然后使用Mesh 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后使用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 計(jì)算，采用歐拉兩相流模型，其中連續(xù)相為水泥、粉煤灰和水組成的混合漿液，離散相為矸石顆粒。 所建立的管道幾何特征如下：入口直管長(zhǎng)3 000 mm，水平直管長(zhǎng)2 000 mm，彎管彎曲半徑700 mm，管道直徑120 mm，3 種彎管的角度分別為75°、90°和105°。 各角度彎管模型如圖1 所示。

圖1 各角度彎管管道模型及坐標(biāo)軸示意圖

此次模擬中，充填材料主要由兩部分組成：一部分為骨料，主要成分為煤矸石；另一部分為膠凝材料，選用水泥和粉煤灰。

料漿參數(shù)設(shè)置如下：煤矸石在料漿中質(zhì)量濃度78%，煤矸石密度2.3×103kg／m3；料漿密度1.9 × 103kg／m3，屈服應(yīng)力368.3 Pa，黏度0.5 Pa·s［15］。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置

為了后續(xù)的流體仿真計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際，在管道壁面創(chuàng)建網(wǎng)格，并添加膨脹層，如圖2 所示。

圖2 局部網(wǎng)格模型

在Fluent 中設(shè)置邊界條件：管道入口為速度入口，速度方向?yàn)閆軸負(fù)方向，初速度分別為0.6 m／s、0.9 m／s、1.2 m／s、1.5 m／s、1.8 m／s，管道出口為壓力出口，壓力值20 kPa，工作壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1 MPa。 考慮到管道輸送過(guò)程中會(huì)發(fā)生重力引起的沉降，將重力加速度設(shè)置為9.8 m／s2，方向?yàn)閅軸負(fù)方向。

2 似膏體漿體流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 直管中矸石顆粒沉降數(shù)值模擬

研究了不同初速度下（0.6 m／s、0.9 m／s、1.2 m／s）料漿在直管中的矸石體積分?jǐn)?shù)與直管3 m 處截面的矸石體積分?jǐn)?shù)變化。 篇幅有限，只在90°彎管條件下進(jìn)行分析。 圖3 給出了不同初速度下直管矸石顆粒分布與截面的矸石體積分?jǐn)?shù)云圖。 由圖3 可見(jiàn)：①直管中深色部分越來(lái)越明顯，即隨著入口流速增加，直管中矸石沉降情況越為嚴(yán)重。 ②在矸石沉降情況越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，截面處矸石體積分?jǐn)?shù)不斷下降。

圖3 不同初速度下直管處及截面處矸石體積分?jǐn)?shù)圖

2.2 不同角度彎管的不淤流速研究

使用Fluent 軟件對(duì)不同流速下料漿中矸石顆粒沉降狀況進(jìn)行模擬，從不同流速下管道截面頂部、中心和底部位置的顆粒分布情況，可以判斷矸石沉降情況。

2.2.1 75°彎管矸石體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果分析

選取距離管道模型出口200 mm 處的S 截面進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如圖4 所示），獲取該截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的矸石體積分?jǐn)?shù)，A、B、C 三點(diǎn)的連線為S 截面的豎直平分線，A 點(diǎn)與管道頂部及C 點(diǎn)與管道底部的距離均為10 mm，B 點(diǎn)為S 截面的中心點(diǎn)。 選取A、B、C 點(diǎn)作為料漿流動(dòng)體積分?jǐn)?shù)的研究對(duì)象，3 點(diǎn)相對(duì)位置如圖5 中（a）所示。

圖4 S 截面示意圖

圖5給出了75°彎管不同入口流速下出口截面處體積分?jǐn)?shù)云圖。 由圖5 可得：①截面頂部A 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)與入口流速呈正比，隨著流速加快而增大。 ②截面中心B 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)隨著流速增加基本保持不變，該部分矸石處于自由沉降狀態(tài)。 ③截面底部C 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)與流速呈反比，隨著流速增加而減小。

圖5 75°彎管不同流速下出口截面處體積分?jǐn)?shù)云圖

管道截面矸石體積分?jǐn)?shù)曲線如圖6 所示。 由圖6可見(jiàn)：①中心點(diǎn)B 矸石體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。 A 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)隨流速增大而增大。 C 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)隨流速增大而減小。 隨著入口流速增加，3 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)不斷接近，說(shuō)明流速越快，彎管中矸石體積分?jǐn)?shù)梯度減小。 ②料漿流速越快，A、C 點(diǎn)之間的矸石體積分?jǐn)?shù)梯度越小，這是由于料漿快速流動(dòng)時(shí)，管道上下端受摩擦力影響，速度有所減緩，而管道中部速度很快，形成流核，在流核的影響下，A、C 點(diǎn)部分矸石逐漸被卷入流核中，在高速流動(dòng)的料漿中，矸石顆粒分布更均勻，體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，體積分?jǐn)?shù)梯度也隨之減小。 ③入口流速小于1.5 m／s 時(shí)，矸石沉降狀況較為嚴(yán)重，此時(shí)A、B、C 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)梯度較大，速度越低，矸石沉降的趨勢(shì)越明顯，速度越快，則3 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)越接近。 說(shuō)明料漿流速達(dá)到1.8 m／s 后，3 條矸石體積分?jǐn)?shù)曲線會(huì)趨于平行。 即本工況下適宜的料漿不淤流速為1.8 m／s。

圖6 75°彎管截面上不同點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)曲線

2.2.2 90°彎管矸石體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果分析

90°彎管不同流速下出口截面處體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖7。 由圖7 可見(jiàn)：在同一流速下，90°彎管比75°彎管矸石體積分?jǐn)?shù)梯度更小，料漿更均勻。 參考75°彎管，選取A、B、C 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)作為研究對(duì)象。 根據(jù)模擬結(jié)果可繪制出截面3 點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)圖，如圖8 所示。 由圖8 可得：90°彎管中，速度達(dá)到1.7 m／s 時(shí)，矸石體積分?jǐn)?shù)曲線逐漸趨于平行，說(shuō)明料漿流速增至1.7 m／s后，矸石體積分?jǐn)?shù)不再發(fā)生較大變化。 即本工況下適宜的料漿不淤流速為1.7 m／s。

圖8 90°彎管截面上不同點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)曲線

2.2.3 105°彎管矸石體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果分析

105°彎管不同流速下出口截面處體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖9。 由圖9 可以看出：在同一流速下，與75°和90°彎管相比，105°彎管矸石體積分?jǐn)?shù)梯度變得更小，料漿均勻程度進(jìn)一步加強(qiáng)。 根據(jù)模擬可繪制出截面矸石體積分?jǐn)?shù)曲線圖，如圖10 所示。 由圖10 可見(jiàn)：①105°彎管中，入口流速達(dá)到1.5 m／s 后，由于流核處速度過(guò)快，矸石顆粒開(kāi)始向截面中心擴(kuò)散，料漿流速達(dá)到1.8 m／s 時(shí)，矸石顆粒不斷向中心處擴(kuò)散，且跡象更加明顯。 ②105°彎管中，入口速度達(dá)到1.5 m／s 時(shí)，3 條矸石體積分?jǐn)?shù)曲線趨于平行。 即本工況下適宜的料漿不淤流速為1.5 m／s。

圖9 105°彎管不同流速下出口截面處體積分?jǐn)?shù)云圖

圖10 105°彎管截面上不同點(diǎn)矸石體積分?jǐn)?shù)曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)Fluent 軟件模擬了煤矸石充填料漿在不同角度彎管中的流動(dòng)，研究了在各角度彎管中不淤流速的變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

1） 75°、90°和105°彎管中適宜的矸石料漿不淤流速分別為1.8 m／s、1.7 m／s 和1.5 m／s。 說(shuō)明料漿不淤流速隨彎管角度增大而減小，彎管角度越大，料漿在彎管中的阻力作用越小，則料漿流速越快，使得矸石顆粒沉降有所緩解。

2） 入口流速加快，矸石顆粒挾帶能力增強(qiáng)，同一時(shí)間內(nèi)直管中通過(guò)的矸石顆粒增加，使得管道中相對(duì)沉降狀況變得嚴(yán)重，同時(shí)受入口流速加快的影響，管道中矸石顆粒更均勻，同時(shí)矸石體積分?jǐn)?shù)下降。

3） 不同角度彎管中，入口流速越慢，管道中矸石沉降狀況越嚴(yán)重，矸石體積分?jǐn)?shù)梯度越大；入口流速加快，管道中矸石沉降有所緩解，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C 矸石體積分?jǐn)?shù)越接近，矸石體積分?jǐn)?shù)梯度越小。