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 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

料漿的不淤流速指在管道內運輸充填料漿時，既可保證矸石顆粒不沉積，同時確保料漿正常輸送狀態的流動速度。 當入口流速小于不淤流速時，輸送過程中很可能發生堵管；料漿流速大于不淤流速一定范圍時，又會加劇管道磨損。 因此，確定合理的不淤流速，直接關系到管道運行的安全可靠性和經濟實用性，是料漿在管道中高效率運輸的保證［1-9］。 近年來，許多專家學者對此問題展開了研究［10-14］，并取得了諸多研究成果，但研究主要針對單一90°彎管管道，無法體現料漿實際輸送過程中不同角度彎管的不同輸送特性。 本文分別對75°、90°和105°彎管管道進行建模，采用Fluent 軟件中的歐拉兩相流模型，對管道輸送過程中料漿在不同角度彎管中矸石顆粒的分布情況進行分析，從而研究不同角度彎管中料漿不淤流速的變化情況，為實際工況中充填料漿的輸送提供理論依據。

1 管道輸送FLUENT 模型

1.1 管道輸送模型建立及參數設定

采用ANSYS 中的建模軟件Design Modeler 進行三維管道建模，然后使用Mesh 對模型進行網格劃分，最后使用計算流體力學軟件Fluent 計算，采用歐拉兩相流模型，其中連續相為水泥、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3 000 mm，水平直管長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。

料漿參數設置如下：煤矸石在料漿中質量濃度78%，煤矸石密度2.3×103kg／m3；料漿密度1.9 × 103kg／m3，屈服應力368.3 Pa，黏度0.5 Pa·s［15］。

1.2 網格劃分及邊界條件的設置

為了后續的流體仿真計算結果更接近于實際，在管道壁面創建網格，并添加膨脹層，如圖2 所示。

圖2 局部網格模型

在Fluent 中設置邊界條件：管道入口為速度入口，速度方向為Z軸負方向，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，工作壓力設置為標準大氣壓0.1 MPa。 考慮到管道輸送過程中會發生重力引起的沉降，將重力加速度設置為9.8 m／s2，方向為Y軸負方向。

2 似膏體漿體流動過程數值模擬

2.1 直管中矸石顆粒沉降數值模擬

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數與直管3 m 處截面的矸石體積分數變化。 篇幅有限，只在90°彎管條件下進行分析。 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數云圖。 由圖3 可見：①直管中深色部分越來越明顯，即隨著入口流速增加，直管中矸石沉降情況越為嚴重。 ②在矸石沉降情況越來越嚴重的情況下，截面處矸石體積分數不斷下降。

圖3 不同初速度下直管處及截面處矸石體積分數圖

2.2 不同角度彎管的不淤流速研究

使用Fluent 軟件對不同流速下料漿中矸石顆粒沉降狀況進行模擬，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°彎管矸石體積分數模擬結果分析

選取距離管道模型出口200 mm 處的S 截面進行監測（如圖4 所示），獲取該截面監測點處的矸石體積分數，A、B、C 三點的連線為S 截面的豎直平分線，A 點與管道頂部及C 點與管道底部的距離均為10 mm，B 點為S 截面的中心點。 選取A、B、C 點作為料漿流動體積分數的研究對象，3 點相對位置如圖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數云圖。 由圖5 可得：①截面頂部A 點矸石體積分數與入口流速呈正比，隨著流速加快而增大。 ②截面中心B 點矸石體積分數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。 ③截面底部C 點矸石體積分數與流速呈反比，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數云圖

管道截面矸石體積分數曲線如圖6 所示。 由圖6可見：①中心點B 矸石體積分數基本保持不變。 A 點矸石體積分數隨流速增大而增大。 C 點矸石體積分數隨流速增大而減小。 隨著入口流速增加，3 點矸石體積分數不斷接近，說明流速越快，彎管中矸石體積分數梯度減小。 ②料漿流速越快，A、C 點之間的矸石體積分數梯度越小，這是由于料漿快速流動時，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 點部分矸石逐漸被卷入流核中，在高速流動的料漿中，矸石顆粒分布更均勻，體積分數逐漸減小，體積分數梯度也隨之減小。 ③入口流速小于1.5 m／s 時，矸石沉降狀況較為嚴重，此時A、B、C 點矸石體積分數梯度較大，速度越低，矸石沉降的趨勢越明顯，速度越快，則3 點矸石體積分數越接近。 說明料漿流速達到1.8 m／s 后，3 條矸石體積分數曲線會趨于平行。 即本工況下適宜的料漿不淤流速為1.8 m／s。

圖6 75°彎管截面上不同點矸石體積分數曲線

2.2.2 90°彎管矸石體積分數模擬結果分析

90°彎管不同流速下出口截面處體積分數云圖見圖7。 由圖7 可見：在同一流速下，90°彎管比75°彎管矸石體積分數梯度更小，料漿更均勻。 參考75°彎管，選取A、B、C 點矸石體積分數作為研究對象。 根據模擬結果可繪制出截面3 點矸石體積分數圖，如圖8 所示。 由圖8 可得：90°彎管中，速度達到1.7 m／s 時，矸石體積分數曲線逐漸趨于平行，說明料漿流速增至1.7 m／s后，矸石體積分數不再發生較大變化。 即本工況下適宜的料漿不淤流速為1.7 m／s。

圖8 90°彎管截面上不同點矸石體積分數曲線

2.2.3 105°彎管矸石體積分數模擬結果分析

105°彎管不同流速下出口截面處體積分數云圖見圖9。 由圖9 可以看出：在同一流速下，與75°和90°彎管相比，105°彎管矸石體積分數梯度變得更小，料漿均勻程度進一步加強。 根據模擬可繪制出截面矸石體積分數曲線圖，如圖10 所示。 由圖10 可見：①105°彎管中，入口流速達到1.5 m／s 后，由于流核處速度過快，矸石顆粒開始向截面中心擴散，料漿流速達到1.8 m／s 時，矸石顆粒不斷向中心處擴散，且跡象更加明顯。 ②105°彎管中，入口速度達到1.5 m／s 時，3 條矸石體積分數曲線趨于平行。 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數云圖

圖10 105°彎管截面上不同點矸石體積分數曲線

3 結 論

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

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，同一時間內直管中通過的矸石顆粒增加，使得管道中相對沉降狀況變得嚴重，同時受入口流速加快的影響，管道中矸石顆粒更均勻，同時矸石體積分數下降。

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重，矸石體積分數梯度越大；入口流速加快，管道中矸石沉降有所緩解，監測點A、B、C 矸石體積分數越接近，矸石體積分數梯度越小。