管道流體粗顆粒水力輸送的研究進展

趙亮亮，來志強，王仲梅，王麗梅，潘麗

（1.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南鄭州 450045；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450099；3.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南鄭州 450046；4.河南省黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)重點實驗室，河南鄭州 450008）

0 引言

近年來管道輸送在工程領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來越廣，例如水庫清淤管道排沙、河流湖泊疏浚工程、深海及陸地礦石管道長距離輸送等。管道輸送由于其運行成本低、環(huán)境友好、受氣候影響小等優(yōu)點，已成為繼鐵路、公路、航空、水運之后第五大運輸方式［1］。

就水庫而言，中國20 世紀建設(shè)的許多中小型水庫，由于其沒有布置完善的排沙系統(tǒng)，水庫泥沙淤積問題十分突出，需通過人工清淤以改善水庫的使用功能和生命健康。據(jù)第一次全國水利普查公報［2］統(tǒng)計，中國中小型水庫數(shù)目約占水庫總數(shù)的99.2%，其庫容約占總庫容的19.6%。排沙系統(tǒng)的不完善，加之很多水庫位于我國西北地區(qū)的多沙河流上，導(dǎo)致需要人工清淤的水庫工作量大、任務(wù)艱巨。

中小型水庫人工清淤常用幾種方式有絞吸式挖泥船清淤、管道排沙等。絞吸式挖泥船利用絞刀等機械設(shè)備絞松疏浚區(qū)內(nèi)淤積體，使得水、泥、石等混合形成泥漿，然后通過管道輸送至指定區(qū)域。管道排沙依據(jù)其工作原理可分為氣力泵式、自吸式等多種形式［3］。氣力泵式或自吸式管道排沙的原理是利用壓縮空氣或上、下游水位差作為動力將庫區(qū)原狀淤積物吸入排泥管道輸送至庫外。

山區(qū)型水庫庫尾及變動回水區(qū)的淤積體內(nèi)往往含有大量卵石等固體粗顆粒，上述幾種人工清淤措施作業(yè)時經(jīng)常會將大量粗顆粒（粒徑約為0.5～150 mm）吸入管道。固體粗顆粒進入排沙管道后，不僅增大水流能量損失，而且因其運動速度明顯小于管流流速，往往不能及時隨渾水排出管外，易在逆坡、彎折管段處堆積，降低管道系統(tǒng)的輸送效率。水庫淤積物情況很復(fù)雜，管道排沙吸入粗顆粒不是小概率事件。管道內(nèi)固體粗顆粒運動與流體運動產(chǎn)生互饋效應(yīng)，體現(xiàn)在固體粗顆粒運移堆積行為會對流體結(jié)構(gòu)如流場、流態(tài)等產(chǎn)生影響，進而導(dǎo)致流體對固體粗顆粒作用力發(fā)生改變，引起粗顆粒下一時刻運動狀態(tài)的變化。管道流體粗顆粒運動過程是流體運動與固體粗顆粒運動雙向反饋的過程。

這里重點介紹管流中粒徑約為毫米甚至厘米級的粗顆粒輸移問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對該問題采用理論分析、物理試驗、數(shù)值模擬等手段開展了大量研究，取得了一系列代表性成果。下面主要對管道流體粗顆粒水力輸送及互饋效應(yīng)的基本理論、試驗研究和數(shù)值模擬等方面進行總結(jié)，分析現(xiàn)有研究中存在的不足，并對將來的研究方向進行展望。

1 管道流體固體運動基本理論

管流中粗顆粒運動是典型的固液兩相流運動問題。微觀動理學(xué)方法是一種描述固液兩相流運動特性的基本理論方法，其原理是將固體顆粒運動特性類比于氣體分子動理論中分子運動。王光謙和倪晉仁等［4，5］以該理論為基礎(chǔ)，提出在連續(xù)介質(zhì)理論中，固相可用動力學(xué)理論描述，液相仍可用連續(xù)介質(zhì)理論描述，并借助Boltzmann 方程和變分法得到了顆粒速度分布函數(shù)、顆粒濃度垂向分布理論公式。Ding 和Gidaspow［6］在微觀動理學(xué)理論基礎(chǔ)上引入顆粒重力、浮力和阻力項，構(gòu)造了固相顆粒的守恒方程。隨后，傅旭東等［7］在前人研究的基礎(chǔ)上增加了升力繼續(xù)研究，對固體顆粒在流場中的受力特性進行全面分析，建立了針對方型管低濃度固液兩相流中固相顆粒運動數(shù)學(xué)模型。

有些學(xué)者假定固液兩相可以相互滲透，可通過分別描述固相、液相的運動過程與相互間作用，進而得到兩相流的運動特性。針對固相顆粒的處理方式的不同，該理論可分為雙流體理論方法和離散顆粒理論方法。雙流體理論方法對固相顆粒而言是一種積分的方法，將液相流體、固相顆粒均視為連續(xù)介質(zhì)。Soo等［8］、劉大為等［9］、周力行等［10］、鐘德鈺等［11-13］在雙流體理論領(lǐng)域開展了很多理論研究工作，認為固液兩相占據(jù)相同的宏觀空間，但又具有不同的運動性質(zhì)，對固液兩相引入壓力、黏度的概念，建立的典型固液兩相質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程如下：

式中：k=f，p 分別代表液相和固相；t為時間；g為重力加速度；εf、εp分別為液相、固相的體積分數(shù)且滿足εf+εp=1；ρf、ρp分別為液相、固相的密度；Uf、Up分別為液相、固相的速度；τf、τp分別為液相、固相的應(yīng)力張量；Kpf、Kfp分別為液相、固相交換系數(shù)。

離散顆粒理論方法對固相顆粒而言是一種微分方法，其將液相流體視為連續(xù)介質(zhì)，固相顆粒視為不連續(xù)介質(zhì)，通過計算顆粒實時受力特性及其對液相流體的反饋作用，獲取其在流體中的運動軌跡。其中，液相流體控制方程為連續(xù)性方程和動量方程：

式中：μf為液相黏度；p為液相水體壓力；Fpf為固相顆粒對液相水體的作用力，與固相顆粒運動方程中Ffp為一對相互作用力，屬于兩相間的耦合項。

選取固相顆粒中某一顆粒i，其控制方程為動量守恒和角動量守恒方程：

式中：mi、Ii、和ωi分別為固相顆粒i的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、平動速度和角速度；為顆粒j作用于顆粒i的顆粒間接觸力；為顆粒i所受到的重力；為液相流體作用于顆粒i的力；Mij為顆粒j作用于顆粒i的力矩。黃社華［14］和Liu［15］等進一步完善了離散顆粒理論方法中單顆粒運動方程的構(gòu)建與求解。

理論研究建立了描述管道固液兩相流運動的基本方程體系，考慮了管道近壁區(qū)對固液兩相流的影響，能夠從本質(zhì)上很好地描述固液兩相流運動的基本物理規(guī)律。然而，理論方程中的某些參數(shù)如τf、τp、Kpf、Kfp、Mij、、Mij等隨固液兩相流運動狀態(tài)的演化特性尚不清楚，在分析過程中又引入很多假設(shè)，這使得僅采用理論方程無法得到固液兩相流運動復(fù)雜規(guī)律。

2 管道流體粗顆粒水力輸送試驗研究

很多學(xué)者通過管道試驗來測定流體、固體的宏觀運動特征，用以探明理論方程中流體、固體關(guān)鍵參數(shù)與其運動狀態(tài)之間的關(guān)系，進而可對理論進行佐證。目前管道試驗大多采用清水或低含沙水流作為載流體，試驗用到的粗顆粒粒徑范圍約在0.1～4.5 mm之間，管道流體的流速基本在0.8～3.5 m/s之間，通過開展管道流體粗顆粒試驗研究取得了豐富的研究進展，根據(jù)粗顆粒在管道流體中運動形式可將試驗研究分為粗顆粒推移運動特性和沉降運動特性兩方面研究。

2.1 管道粗顆粒推移運動特性試驗研究

國內(nèi)學(xué)者曹斌和夏建新等［16-21］采用管道水力輸送試驗系統(tǒng)（如圖1所示）開展了一系列天然石英砂粗顆粒在管道清水條件下運動試驗研究，該試驗系統(tǒng)能夠觀測粗顆粒的運動形式，獲取管道輸送時壓差、粗顆粒輸移量等。物理試驗結(jié)果表明粗顆粒主要運動形式為滑動推移，少量存在躍動、滾動推移等方式，當粗顆粒粒徑一定時，管道傾角越大，發(fā)生堵管的臨界流速越低；當單位長度壓差ΔP與水流平均流速V呈線性關(guān)系時，垂直管道堵管后粗顆粒無法再起動，當ΔP與V呈非線性關(guān)系時，粗顆?？稍俅纹饎?，并且建立了考慮流速、粒徑、體積、管徑等因素推移質(zhì)運動形式無量綱參數(shù)表達式，提出了推移質(zhì)管道輸送時最佳輸送速度和輸送形式。

圖1 管道水力輸送試驗系統(tǒng)示意圖［16-21］Fig.1 Schematic diagram of pipeline hydraulic conveying test system

在上述管道水力輸送試驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，吳優(yōu)等［22］引入高速攝影技術(shù)和粒子成像測速系統(tǒng)（PIV），發(fā)現(xiàn)水平管道清水內(nèi)推移質(zhì)跟隨性參數(shù)k在管道上部符合對數(shù)分布形式=ln(a1+b1k)，下部滿足指數(shù)分布形式，其中D為管徑，a1、a2、b1、b2分別為與粗顆粒粒徑、平均流速、重力計算速度相關(guān)的參數(shù)。李時等［23］基于小浪底水庫管道排沙原型試驗，確定了管道輸送最優(yōu)阻力損失模型費俊祥模型，預(yù)測了高濃度輸沙管道輸送時最佳輸送參數(shù)。

國外學(xué)者也進行了有關(guān)管道粗顆粒推移運動特性的試驗研究并取得了一些進展。Vlasák 等［24］的試驗結(jié)果表明部分推移質(zhì)會在管道內(nèi)會形成靜止穩(wěn)定堆積層；當管流速度較大時，推移質(zhì)主要運動形式為跳躍型；水平管道沿程水頭損失大于垂直管道；當管道傾角由0o增大至90o時，沿程水頭損失先增大后減小，在管道傾角為30o時達到最大值。Matou?ek 等［25，26］在進行物理試驗時也發(fā)現(xiàn)顆粒會在管道內(nèi)呈現(xiàn)分層現(xiàn)象（堆積層和輸運層），顆粒級配會對運動能耗產(chǎn)生影響。Alihosseini等［27］試驗結(jié)果表明粗顆粒粒徑比管壁粗糙度更能影響其臨界速度，但顆粒整體速度受管壁粗糙度影響很大。

2.2 管道粗顆粒沉降運動特性試驗研究

管道粗顆粒沉降運動主要應(yīng)用于垂向管道提升深海礦石等粗顆粒等采礦工程領(lǐng)域。唐達生等［28-30］進行的垂直管道水力提升試驗結(jié)果表明，群體顆粒均勻浮游速度隨顆粒濃度、顆粒粒徑的增大而增大，非均勻浮游速度隨顆粒濃度的減小、顆粒密度的增大而增大；顆粒旋轉(zhuǎn)速度隨水流速度的增大、顆粒圓度的增大、顆粒粒徑的減小、顆粒密度的減小而增大；輸送速度和輸送濃度會影響輸送安全性，建議固體礦物提升速度應(yīng)為礦物最大顆粒沉降速度的3倍，才能保證輸送安全性。王鋒等［31］詳細歸納了當前典型垂直管道輸送阻力計算公式，比較分析不同工況下各公式計算值和實測值，結(jié)果表明夏建新公式和Matousek 公式更適用于顆粒物料垂直管道水力輸送阻力計算。Spelay 等［32］試驗發(fā)現(xiàn)固相顆粒濃度對其沉積速度影響較小，顆粒沉積速度受管道傾角的影響較大，細沙則受其影響不大。夏建新等［33-35］研究了清水管流中粗顆粒濃度分布規(guī)律，構(gòu)造了顆粒垂線最大濃度點相對位置高度與管徑、顆粒粒徑、平均流速、重力加速度的函數(shù)關(guān)系；研究了長條狀顆粒在垂直上升流中最小輸送速度的變化規(guī)律及特性，得到了長條狀群體顆粒最小輸送速度計算公式。

此外，Vlasák 等［36］分別采用了玻璃球、玄武巖卵石來模擬不同形狀、密度的粗顆粒，以清水為管流載體，研究發(fā)現(xiàn)兩種粗顆粒的管流水力要素幾乎沒有差異。陽寧等［37］探究了粗顆粒垂直管道水力輸送系統(tǒng)的振動特性，研究表明顆粒濃度越大，則管道系統(tǒng)振動幅度越大，流體紊流渦激振動也隨之加劇。

可以看出，不同學(xué)者在進行管道粗顆粒運移物理試驗時，研究背景有所不同，采用的試驗條件也各有差異，但是基本上均開展的是清水試驗。目前已有的試驗研究幾乎沒有涉及粗顆粒在高含沙水流中運動規(guī)律。高含沙水流渾濁不清，受限于物理試驗觀測技術(shù)，粗顆粒在高含沙水流中運動過程將難以捕獲。水庫清淤時高含沙水流和卵石等粗顆粒同時進入管道，因高含沙水流密度、黏性等物理特性與清水有很大區(qū)別，必將對粗顆粒運動產(chǎn)生一定的影響，以往清水條件下的研究成果直接應(yīng)用到高濃度渾水流體時難免會帶來誤差。此外，水庫清淤經(jīng)常采用柔性管道，淤積物中含有大量的由泥沙細顆粒板結(jié)而成的黏性可破碎顆粒（板泥）。而蔡書鵬等［38］發(fā)現(xiàn)柔性管道邊界在物理試驗過程中會抑制流場整體能量，因此物理試驗大多選用剛性管道邊界條件，對柔性管道邊界條件下管流粗顆粒運動研究很少，同時黏性可破碎粗顆粒輸送規(guī)律的相關(guān)研究實不多見。

3 管道流體粗顆粒水力輸送數(shù)值模擬研究

物理試驗比較容易獲取水沙運動現(xiàn)象及運動過程的宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而基于水沙運動基本理論的數(shù)值模擬技術(shù)能夠直接獲取泥沙運動過程中每個粗顆粒受力特征、顆粒運動軌跡及復(fù)雜水沙場的變化特征等相對微觀數(shù)據(jù)，如基于Eulerian 描述方法的計算流體力學(xué)法CFD（Computational Fluid Dynamics）較易獲取流體運動全過程中流場結(jié)構(gòu)和流態(tài)演化特征；而基于Lagrangian 描述方法的離散單元法DEM（Discrete Element Method）則具有連續(xù)追蹤固體顆粒運動軌跡的功能。

3.1 管道輸送CFD數(shù)值模擬研究

CFD 興起于20 世紀60 年代，在管道固液兩相流模擬研究中取得了很多研究成果，其主要思想是將流體視為連續(xù)流體，將固相顆粒體視作連續(xù)擬流體，采用多相流的模式計算網(wǎng)格結(jié)點處流體、固體的運動與動力特征。

王繼紅等［39，40］采用雙流體模型，分別進行了水平管道內(nèi)水沙（固相粒徑為0.09、0.27 mm）兩相流、冰槳（固相粒徑為0.1 mm）兩相流運動過程的CFD 數(shù)值模擬。熊庭等［41］也利用此方法建立了水平管道清水和泥沙（粒徑為0.09、0.27和0.44 mm）固液兩相流的三維CFD 模型，研究了管道泥漿的流動特性，分析了管道輸送速度、泥漿濃度、顆粒粒徑等因素對其輸送效率的影響規(guī)律。吳國英等［42，43］利用計算流體力學(xué)CFD 軟件，對不同情況下管道內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，得到了管道內(nèi)部壓力場分布。陳建宏等［44］借助CFD 商業(yè)軟件Fluent 模擬了充填料漿管道輸運過程，得到了高濃度漿體流速與沿程阻力損失之間的函數(shù)關(guān)系。

國外學(xué)者也進行了大量管道固液兩相流CFD 數(shù)值模擬研究：Kaushal 等［45］分別采用歐拉雙流體模型和Mixture 模型分析了固相細顆粒（粒徑為0.125 mm）在管道水流中的運動特性，對比了兩個模型對于沿程水頭損失、顆粒濃度分布模擬結(jié)果的精度。Messa 和Malavasi［46］通過調(diào)整CFD 中紊流彌散系數(shù)、兩相摩擦系數(shù)和黏滯系數(shù)等模擬參數(shù)，較準確地預(yù)測了水平放置的90°彎管內(nèi)固相顆粒分布特征。Sorgun和Ulker［47］計算了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下水平管道固液兩相流（固相顆粒平均粒徑為0.45 mm）的沿程水頭損失。Singh 等［48］探究了高濃度固相顆粒條件下水頭損失與流速、固相顆粒濃度之間的關(guān)系。

CFD 模擬的管流固相顆粒一般為毫米級以下的懸移質(zhì)，此時將其視作擬流體是可行的；而粗顆粒的粒徑一般較大、離散性強，顆粒對局部流場的反饋影響也較大，這與連續(xù)擬流體的假定有很大的差距。目前，管道粗顆粒CFD 模擬研究很少，部分研究是基于大量粗顆粒運動宏觀統(tǒng)計規(guī)律進行的，無法根據(jù)顆粒的實際受力情況，跟蹤模擬各個顆粒的運動過程，進而只能得到網(wǎng)格節(jié)點處均化特征，如圖2所示。因此，僅采用CFD數(shù)值模擬方法來研究排沙管道流體粗顆粒水力輸送及其互饋效應(yīng)仍具有一定的局限性。

圖2 CFD顆粒體積濃度分布Fig.2 CFD particle volume concentration distribution

3.2 固體粗顆粒DEM數(shù)值模擬研究

離散單元法DEM 是基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的數(shù)值模擬方法，最早由Cundall［49，50］在1971 年提出，目前被廣泛地應(yīng)用于巖土地質(zhì)工程、工農(nóng)業(yè)制造等諸多領(lǐng)域。DEM 將研究對象離散概化成若干具有一定幾何尺寸和物理參數(shù)的獨立顆粒（單元），可連續(xù)追蹤各個顆粒的受力、速度、位移等運動信息，主要應(yīng)用于求解離散顆粒材料大變形、大位移等非線性問題。圖3 給出了基于DEM 模擬得到的不同邊界條件下顆粒剪切摩擦與碰撞等運動行為，可以看出DEM 能夠精確描述顆粒的不同運動行為，這是CFD無法實現(xiàn)的。

圖3 DEM模擬的不同邊界條件下粗顆粒剪切摩擦與碰撞行為Fig.3 Particle shearing and collision behaviors of coarse particles under different boundary conditions simulated by DEM

輸沙管道中卵石等粗顆粒屬于典型的離散顆粒材料，目前很多學(xué)者采用DEM描述卵石、塊石等粗顆粒的運動過程和動力特性［51］。來志強等［52-57］采用DEM 研究了巖體顆粒（粒徑0.2～1.2 m）在不同邊界條件下的剪切摩擦、碰撞等動力學(xué)行為、流動特性以及顆粒材料呈現(xiàn)出的尺寸分離現(xiàn)象。張翠兵等［58］采用DEM 模擬了塊石顆粒（平均粒徑為0.2 m）在振動荷載作用下受力運動過程，獲得了每個塊石的加速度、速度、位移隨時間的演化規(guī)律。陳凱華等［59］模擬了拋石（粒徑為0.2 m）在水中運動堆積過程，分析了拋石形狀、質(zhì)量等因素對其運動速度、堆積形態(tài)的影響規(guī)律。吳東旭等［60］借助DEM 模擬了砂卵石土（粒徑為10～60 mm）直剪試驗時剪切破壞現(xiàn)象，得到了顆粒剪切曲線。吳躍東等［61］進行了砂礫卵石土（粒徑為2～60 mm）DEM 擊實試驗，探明了砂礫卵石土中卵石含量、粒徑對其壓實特性的影響。王俊等［62］利用DEM 模擬了土壓盾構(gòu)隧道掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致的卵石層（粒徑為2～16 mm）變形運動過程，得到了卵石顆粒受力大小和位移變化。

DEM 在描述離散顆粒材料的運動特性方面具有天然優(yōu)勢。但是受限于其基本理論，DEM 僅能單方面考慮連續(xù)液相流體對離散固相顆粒的等效作用力，無法求解離散固相顆粒對連續(xù)液相流體運動的影響；當模擬的顆粒數(shù)目巨大時（百萬級及以上），計算效率大幅降低，對于水流中毫米級以下懸移質(zhì)的模擬并不適用。然而根據(jù)工程經(jīng)驗，當粗顆粒粒徑與輸沙管道管徑尺寸相差1～2 個數(shù)量級時，粗顆粒運動將對局部流場乃至水流整體流態(tài)產(chǎn)生非常明顯的影響。粗顆粒在管流中運移過程是流體與粗顆粒運動互饋的過程。因此，在采用DEM模擬粗顆粒運動的同時，還需結(jié)合CFD考慮粗顆粒對液相流體的影響。

3.3 流體-固體耦合CFD-DEM 數(shù)值模擬研究

流體-固體耦合CFD-DEM 數(shù)值模擬方法是將CFD 和DEM兩種數(shù)值模擬方法耦合，充分發(fā)揮CFD、DEM 兩者的模擬特點與優(yōu)勢。圖4 為CFD-DEM 耦合求解過程示意圖，CFD 求解連續(xù)液相后，得到流場信息，計算得到連續(xù)液相對離散固相的作用力，如浮力、拖曳力等，并將計算結(jié)果傳遞給DEM；由DEM 計算離散固相的受力情況，根據(jù)其運動方程計算得到離散固相新的位置、速度等信息，以及對流場的反作用力，計算結(jié)果傳回CFD，由CFD 更新流場信息并產(chǎn)生對離散固相新的作用力，整個過程就這樣循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)耦合?？梢钥闯鰞烧咧饕ㄟ^液相、固相控制方程中相互作用力項Fpf和來進行動量和能量的交換。

圖4 CFD-DEM 耦合求解原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of CFD-DEM coupling solution principle

目前，國內(nèi)外學(xué)者采用該方法已開展了初步的管道流體固體粗顆粒運動研究工作，利用CFD 計算流體的運動過程，得到流場分布特征［圖5（a）所示］；利用DEM 計算毫米級甚至厘米級固體粗顆粒的運動速度和位置［圖5（b）所示］，并進行實時數(shù)據(jù)交換。

圖5 CFD-DEM 模擬得到管道顆粒和流體速度分布示意圖Fig.5 CFD-DEM simulation is used to obtain the velocity distribution of pipe particles and fluid

在復(fù)雜管道水沙運動機理方面，李亞林等［63］采用CFDDEM 模擬了固相顆粒在水泵變曲率彎管內(nèi)的運動過程，開展了流場網(wǎng)格、湍流模型、顆粒接觸模型等敏感性因素分析，得到了顆粒屬性、管道幾何特征和流體雷諾數(shù)對顆粒運動特性的影響規(guī)律。喻黎明等［64-67］和唐兆家等［68］采用該方法分別模擬了灌水器［64，65］、水力旋流器［66，68］、網(wǎng)式過濾器［67］中復(fù)雜流道內(nèi)水沙運動過程，分析了流道內(nèi)水流流場分布特性、單個固相沙粒運動軌跡、速度演化和沙粒群體運動堆積特性，得到了管內(nèi)回流區(qū)、渦旋區(qū)和滯流區(qū)變化與沙粒分布之間的內(nèi)在聯(lián)系，從沙粒個體運動、群體運動等微觀角度明確了水沙運動機理和分離機制。關(guān)英杰等［69］數(shù)值研究表明垂直管道輸送速度隨著顆粒粒徑增大而減小，顆粒群輸送顆粒存在一定程度的碰撞，對輸送能量的損耗很大。

Akhshik 等［70-75］利用CFD-DEM 開展了鉆井過程中流體與巖屑在移動管道內(nèi)運移機理研究，模擬了簡單規(guī)則非圓球碎石顆粒與流體在鉆井管道內(nèi)輸運過程，探究了管道轉(zhuǎn)速［70］、碎石顆粒形狀［71］、抗轉(zhuǎn)動系數(shù)［72］和接觸摩擦系數(shù)［73］對碎石粗顆粒運動速度、堆積形態(tài)、分布位置和管道堵塞程度的影響機制；此外，Akhshik 等［74］通過改變鉆桿管道的旋轉(zhuǎn)速度、機械鉆速、傾斜角度和管道流速等因素，得到了不同工況下固液兩相流動力特性演化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，進一步考慮管道液體流量、注氣量、注氣壓力和環(huán)境溫度等因素，深入研究了管道氣固液三相流運動特性［75］。Xiong 等［76，77］提出了3 種水平管道粗顆粒輸運機制即定床流、滑床流和滑動流，并從顆粒受力角度解釋了其形成機制，認為滑動流輸送效率最高。

CFD-DEM 具有模擬固液兩相流中粗顆粒碰撞行為的功能，還被應(yīng)用于大粒徑固相顆粒對管道內(nèi)壁沖蝕破壞的研究中。姚利明等［78，79］利用該方法分析了縮徑管道內(nèi)沙粒碰撞行為和縮徑斜面受力分布，得到了沙比、流體黏度對管道內(nèi)部沖蝕深度的影響規(guī)律。Varga 等［80］研究了圓弧型剛性管道、柔性管道破損程度、破損模式與水流中固相顆粒沖擊內(nèi)管壁角度、能量之間的關(guān)系。Cheng等［81］模擬了不可壓縮冪律流體與固體顆粒在縮徑管道中運動過程，總結(jié)了縮徑管道破壞速率、破壞面積隨流體速度、黏度和顆粒碰撞頻次的演化趨勢。Chen等［82］探討了彎頭角度對顆粒運動特性、流場分布特征、顆粒沖擊管壁速度與角度分布特征的影響機制。Tao等［83］通過模擬計算揭示了固相顆粒接觸力、液壓力、配位數(shù)和密實度等參數(shù)演化過程與管壁破壞過程的內(nèi)聯(lián)機制，定量分析了顆粒密度、孔隙率、粗糙度和級配分布對管道流動的影響規(guī)律。

在管道固液物料輸送特性CFD-DEM 數(shù)值模擬研究方面，Huang等［84］模擬了不同法蘭連接工況下排泥管道固液兩相流運動過程，得到了不同工況下流場、顆粒運動軌跡和顆粒體積率等變化規(guī)律。Dabic 等［85］在模擬中引入了聲波場的概念，考慮了固相顆粒和流場受到的聲波震動作用力，闡明了聲波場對固液兩相流運動特性的影響機制。Yang 等［86］研究了漿體和塊石在管道中運動特性，分析了管道泥漿流速、塊石體積分數(shù)和管道傾斜角度對泥漿速度場分布、壓力分布、水頭損失的影響規(guī)律。Akbarzadeh 等［87］對矩形管道內(nèi)黏性固體在牛頓流體中的運移過程進行了模擬，考慮了顆粒碰撞力、膠結(jié)力和水動力，探討了浮力、黏聚力和拖曳力對顆粒運動機制和團聚模式的影響機理。Guo等［88］模擬了水平管道內(nèi)預(yù)置沙粒堆積體在水流帶動下的運動過程，分析了流場應(yīng)力張量項三種簡化求解方式對數(shù)值模擬結(jié)果的影響規(guī)律。Zhou［89］模擬了垂直管道中水力輸送粗顆粒的過程，研究了傳送顆粒濃度、傳送速度和顆粒粒徑對管道輸送的影響規(guī)律。Januário 等［90］計算得到了管流粗顆粒臨界沉積速度，小于此速度時顆粒在管道底部堆積形成靜止顆粒層，大于此速度則顆粒不再堆積。

流體-固體耦合CFD-DEM 數(shù)值模擬目前已成為國內(nèi)外研究熱點，近年來學(xué)者們已將其成功地應(yīng)用于管道固液兩相流水力輸送研究中，特別是對管流中毫米級甚至厘米級固相顆粒運動特性的研究。許多成果頗具特色，均具有一定的學(xué)術(shù)價值與參考意義。然而，目前數(shù)值模擬研究中仍存在一些不足與空白：①絕大部分CFD-DEM 數(shù)值模擬采用圓形顆?；蛘咭?guī)則形狀顆粒，無法反映復(fù)雜的顆粒形狀，這與實際粗顆粒不規(guī)則形狀相出入。②CFD-DEM 數(shù)值模擬參數(shù)應(yīng)通過物理試驗或現(xiàn)場試驗直接率定，使得CFD-DEM 數(shù)值模擬結(jié)果能夠直接應(yīng)用于工程實踐，而部分CFD-DEM 數(shù)值模擬參數(shù)取值沒有依據(jù)，就會導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果脫離實際應(yīng)用。③水庫清淤時柔性與剛性管道互聯(lián)使用，淤積物中含有大量由泥沙細顆粒板結(jié)而成的黏性可破碎粗顆粒；然而目前模擬的管道多為剛性管道以及無黏性顆粒，對柔性管道和黏性顆粒輸運的模擬很少見。④有必要將細觀層面固體顆粒的能量演化規(guī)律與流體的能量演化規(guī)律相結(jié)合以揭示管道輸送能耗機制。⑤大部分數(shù)值模擬所采用的RANS 湍流模型能夠反映出流體運動基本規(guī)律，但對渦旋的模擬精度不高。未來可考慮在管流中采用對渦旋模擬精度較高的大渦模擬LES 湍流模型［91-93］，以提高對管流渦旋發(fā)展機制的認識。

4 總結(jié)與展望

（1）目前理論研究很好地建立了流體固體運動控制方程體系。但方程中一些關(guān)鍵參數(shù)隨固液兩相運動狀態(tài)的演化特性還不十分明確，還需通過物理試驗與數(shù)值模擬進一步補充研究。

（2）受限于測試技術(shù)，目前相關(guān)試驗研究大多采用清水或低含沙水流作為管道載流，而高含沙水流物理特性與清水有很大區(qū)別，以往清水條件下的研究成果直接應(yīng)用到高濃度渾水流體時難免會帶來較大誤差。

（3）CFD-DEM 數(shù)值研究大多采用簡化的圓形或規(guī)則形狀的顆粒，對顆粒復(fù)雜形狀的模擬不足。CFD-DEM 數(shù)值模擬參數(shù)應(yīng)通過物理試驗或現(xiàn)場試驗得到，使得數(shù)值模擬結(jié)果能夠滿足工程應(yīng)用要求。

（4）目前物理試驗和數(shù)值模擬大多采用剛性管道邊界和無黏性不可破碎的粗顆粒。柔性管道邊界以及由泥沙細顆粒板結(jié)而成的黏性可破碎粗顆粒輸送規(guī)律研究十分不足。

（5）基于CFD-DEM 數(shù)值模擬技術(shù)，可從細觀層面上將固體顆粒的能量演化規(guī)律與流體能量演化規(guī)律相結(jié)合以揭示管道系統(tǒng)能耗機制以及宏觀尺度上輸移規(guī)律，這方面還需要進一步研究。

（6）大多數(shù)值模擬采用的RANS 湍流模型對渦旋的模擬精度不高，有必要進一步采用精度更高的大渦模擬LES 湍流模型，以提高對管流渦旋發(fā)展機制的認識。