充填工業泵泵頭內部流場的數值模擬與分析

曾凱 宋雷震 袁子淇 蔡永彪 段弘宇

摘 要：在礦產資源開采利用的過程中產生了大量的尾礦及采空區，尾礦的堆存及采空區的存在對生態環境存在很大的隱患，充填采礦法能夠有效解決尾礦及采空區問題，而充填工業泵是充填采礦工藝環節中向井下泵送尾砂的關鍵設備。鑒于此，利用CFD數值模擬方法研究了充填工業泵泵送料漿過程中泵頭的內部流場，通過仿真結果可以直觀地觀察泵送時泵頭內部流體的流動特性，為充填工業泵的優化設計提供參考。

關鍵詞：充填工業泵；膏體充填；數值模擬；內部流場

中圖分類號：TD454? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0058-04

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

0? ? 引言

充填采礦法能夠減量化處置礦山產生的大量尾砂固廢，減少環境污染，同時防控地下采場圍巖失穩和地表變形，減少礦山安全隱患，是保障礦山綠色安全高效生產的必要措施[1-2]。隨著充填工藝的快速發展，膏體泵送設備也得到了長足發展，充填工業泵是向井下高壓、長距離輸送尾砂的關鍵設備之一，具有方量大、揚程高、可靠性強等特點，能夠適應不同性質、不同粒徑組成的尾砂輸送，在礦山行業得到了廣泛應用[3-6]。而泵頭作為充填工業泵的出口部件，它的通過性能一定程度上影響了泵送效率，泵頭中的錐閥密封總成等屬于易損件，其更換難度大、配件費用高，影響了泵的維保成本。因此，有必要對充填工業泵泵頭進行仿真分析。

本文通過SolidWorks三維建模軟件建立泵頭模型，利用ANSYS FLUENT軟件進行數值模擬，研究在泵送過程中泵頭的內部流場特性，為充填工業泵的優化設計提供直觀的數據參考。

1? ? 充填工業泵泵頭模型建立

1.1? ? 充填工業泵主體結構組成

如圖1所示，充填工業泵主要由進料錐閥缸、出料錐閥缸、泵送活塞、水箱及主油缸等組成。在工業泵運行過程中，出料錐閥缸關閉，進料錐閥缸開啟，主油缸帶動活塞向后移動完成吸料動作；進料錐閥缸關閉，出料錐閥缸開啟，主油缸帶動活塞向前移動則完成排料動作。

1.2? ? 充填泵泵頭物理模型

該泵頭是采用雙入口、單出口的簡單模式，計算模型如圖2所示。1處及中軸線對稱口為入口，直徑大小為d1；2處為進料錐閥，其閥盤直徑大小為d2；閥盤與入口接觸位置設有錐角α1，當一側進口錐閥閉合時則另一側進口處錐閥處于開啟狀態；3處為泵頭內部腔室；4為出料油缸；5為出料口，直徑大小為d3。

利用ANSYS軟件對泵頭流道內的流體進行數值計算，經過Space Claim對模型進行前處理，將泵頭的流道計算域抽取出來，得到圖2（b）所示的流體域計算模型，其部分重要參數如表1所示。

2? ? 數值模擬及理論計算

在SolidWorks軟件中完成建模并將模型導入Space Claim中進行前處理，抽取流體域并劃分網格。網格的質量決定了數值計算的結果是否收斂，為提高數值計算的準確性及收斂速度，采用ICEM-CFD對泵頭進行結構化網格的劃分，網格模型如圖3所示。

高濃度尾砂可以看作是一種膏體，膏體具有濃度高、流動阻力大的特點，屬于一種組成復雜的非牛頓流體。由于管道輸送技術和力學的復雜性，為了方便模擬分析，假設物料為混合均勻的連續性漿體，漿體性質為賓漢姆塑性體，假定不可壓縮，本文對膏體的流動采用“Bingham流體模型”，其流變方程如下：

τ2-τ0=η（1）

式中：τ2為賓漢姆流體剪切應力；τ0為流體屈服應力；η為粘度系數；dγv/dy為剪切速率；y為流體上下平行層間的距離。

為了體現膏體物料的高黏性與屈服應力，本次數值模擬中采用簡單的雙參數Bingham流變模型作為高濃度尾砂料漿混合液的流變學模型。

泵頭工況的邊界條件設置如下：

1）料漿入口：設置為速度入口，速度大小為0.3 m/s。

2）料漿出口：設置為壓力出口，出口壓力的表壓強為3.5 MPa。

3）泵頭壁面：設置為無滑移邊界條件，近壁面區域采用標準壁面函數計算。

整體流域采用多面體網格劃分，達到相同計算精度所需要的網格數量相對較少，收斂速度更快。網格數量515 883個，網格數量增加到1 031 766，數值解誤差為2.41%，表明網格劃分可以獲得穩定收斂，且不受網格密度影響。

在研究尾砂這類多相固液混合物流動特性時，可以采用多相流數值模擬方法，模擬多相流的方法一般有VOF模型、MIXTURE模型、EULER模型等，而尾砂漿體是顆粒相與水泥砂漿混合形成的類似膏體的流體，與MIXTURE模型的特性相符，因此在CFD計算中采用MIXTURE模型求解。

尾砂混合流體中，固相的體積分數一般在65%左右，且在兩相流中呈懸浮狀態，符合Gidaspow拖拽模型的特點。Gidaspow拖拽模型中固液兩相之間的交換系數KSL計算如下：

KSL=150（1-αL）+（2）

式中：αS、αL分別為固相和液相的體積分數；μL為液相粘度系數；dS為固相顆粒直徑；ρ為液相密度；vS為固相顆粒的矢量速度；vL為液相的矢量速度。

離散方面采用了基于壓強-速度關聯算法的phase coupled simple算法和一階迎風離散格式。

在Fluent求解器中選用MIXTURE兩相流模型，設置第一相的密度為1 600 kg/m3，動力粘度為21 Pa·s，第二相設為顆粒相，設置顆粒直徑為5 mm，密度為2 800 kg/m3，體積分數為0.65。

3? ? 仿真結果及分析

充填料漿從泵頭入口處由活塞擠壓進入泵頭腔室內，由于泵送平緩，料漿體受到的剪切力始終低于屈服應力，此時料漿體可以視作一種賓漢姆塑性體，均勻地分布在泵頭內腔。充填料漿顆粒相質量流量分布云圖如圖4所示。

從整體上看，膏體料漿的顆粒相密度分布均勻，圖中截面位置上的顆粒相質量流量分布情況的形成是由于泵送過程中尾砂會受到泵壓的影響，從而分離出部分細粒級含水砂漿并遷移至泵頭壁面處，形成尾砂的保護層，有利于含粗骨料膏體料漿的管道帶壓輸送。整個腔體內的密度分布仍然存在明顯差異，料漿入口處密度最大，隨著通徑的增大，粗骨料顆粒開始向泵頭相鄰側通道擴散，并且由于受重力作用有向底部沉積的趨勢。

根據流體力學可知，流體具有流動性，流體微團在受力后會發生移動和轉動，宏觀的表現就是充填漿體產生變速、回旋等作用，部分漿體會在腔內做旋轉運動，形成漩渦，還有部分漿體會因速度方向的改變，對泵頭內部產生碰撞。泵頭內腔料漿速度矢量圖如圖5所示。由于漩渦處的物料速度遠小于主通道處，帶壓物料會對漩渦區的物料產生卷吸作用，帶動部分細粒級物料進入管道，從而使粗骨料失去細顆粒的包裹，暴露在泵斗腔體內，失去流動性，產生物料堆積的問題。泵頭腔體通徑的明顯變化會增加漩渦區的產生。

速度云圖如圖6所示，料漿速度場的分布直接反映了泵頭內部充填料漿的流動狀態。泵頭內閥門開啟的主流道中料漿流體運動速度先減小再逐漸增大，壁面邊界處的料漿流速趨于零，遠離軸線連線方向的流體由于黏性作用未產生明顯滑移，速度趨于零。整體的速度分布規律基本符合Bingham體。腔體壁面主要是由細顆粒與膠固粉混合的漿體組成，粘度系數大，所以泵送阻力高，料漿在近壁面處的流速明顯降低。而中間區域的粗顆粒骨料其粘度系數小，泵送阻力低，在液壓推力的作用下，料漿整體做加速運動，出口收縮段速度較大，在泵主缸往復作用下會在出口處產生周期性疲勞磨損，速度梯度的產生也會加劇粗顆粒與含水砂漿之間的分離，從而引起粗顆粒在泵頭出口端的淤積堵塞。

4? ? 結論

本文在對充填泵泵頭進行模型簡化并合理設置邊界條件的情況下進行數值仿真，得到了泵頭在正常工況下的流場。綜合分析流場結果，在泵頭的流場分布及性能改進上有以下結論：

1）從速度云圖及速度矢量圖可以得出，料漿體碰到表面尖銳不規則處會產生漩渦區，且流體的運動速度加快，這些位置的磨損要比其他區域更為劇烈。

2）泵頭腔體運用流線型設計可以較好地改善泵頭的通過性能，流道內角度的緩慢變化可以減少漩渦區的產生，從而降低物料離析沉積的概率。

3）流道截面形狀及通徑的變化會導致料漿顆粒的不規則運動，進而產生渦旋，增加壓力損失，并且有粗顆粒堆積堵塞出口的風險。

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收稿日期：2023-10-08

作者簡介：曾凱（1998—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事機械設計工作。