甘德清，高 鋒，陳 超，邵靜靜，孫 成

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009）

超細(xì)全尾砂料漿在大直徑管道中流動(dòng)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(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009）

均質(zhì)流在圓管中層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流速呈旋轉(zhuǎn)拋物面分布；紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流速特征符合七分之一指數(shù)分布定律。超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿物理性質(zhì)復(fù)雜，在管道內(nèi)的流動(dòng)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(xì)全尾砂料漿在大直徑管道中滿(mǎn)管自流輸送時(shí)管道橫斷面上的流動(dòng)特征。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灰砂比為1∶6的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿在管道中易形成均質(zhì)流，在管道橫斷面上流速沿軸線近似對(duì)稱(chēng)分布；料漿濃度為64%時(shí)，200mm管道輸送的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿為牛頓體；料漿濃度為68%時(shí)，呈現(xiàn)偽塑性體的流動(dòng)模式；料漿濃度為72%時(shí)，呈現(xiàn)屈服偽塑性體的流動(dòng)模式。就大于2.9m/s的高流速區(qū)域?qū)挾榷裕?4%濃度料漿最大，72%濃度料漿次之，68%濃度料漿最小。

超細(xì)全尾砂；大管徑；流速分布；流動(dòng)模式

目前國(guó)內(nèi)外使用充填采礦法開(kāi)采的礦山受開(kāi)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(yīng)用并不多見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有出臺(tái)衡量充填管徑大小的標(biāo)準(zhǔn)，因此針對(duì)礦山充填料漿管道輸送而言，大于150mm內(nèi)徑的管道可以認(rèn)為是大直徑管道［1－11］。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)資源需求的增大，礦山產(chǎn)能不斷提高，開(kāi)采深度不斷增加，要求充填開(kāi)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(shù)成為充填開(kāi)采領(lǐng)域研究的必然趨勢(shì)和重要內(nèi)容［12－13］。超細(xì)全尾砂充填料漿物理性質(zhì)復(fù)雜，管道內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響因素較多，當(dāng)管徑增大時(shí)，料漿的流動(dòng)特性會(huì)發(fā)生很大的變化［14］。針對(duì)直徑為200mm的充填管道，采用Fluent－3D工程流體力學(xué)軟件中歐拉多相流數(shù)值模擬版塊，研究大直徑水平管道中不同濃度的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿在管道橫斷面上的流動(dòng)特征。

1 均質(zhì)流體圓管內(nèi)流速分布理論

1.1 層流流速分布特征

對(duì)于實(shí)際不可壓縮黏性流體在管道中的定常層流流動(dòng)，管道斷面上流速的分布函數(shù)見(jiàn)式（1）。

式中：Pa、Pb分別為截面a、b上的壓強(qiáng)，見(jiàn)圖1；ro為管道半徑，m；r為某質(zhì)點(diǎn)到軸線的距離，m；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；l為斷面a、b之間的距離，m；

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

圖1 流體在圓形管道內(nèi)流動(dòng)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(yīng)用較為普遍的流速分布公式見(jiàn)式（2）、式（3）。

式中：umax為管道斷面上的最大流速，m/s；k為卡門(mén)通用常數(shù)，k≈0.4；τo為流體在管壁處的切應(yīng)力，Pa；y為管道斷面上質(zhì)點(diǎn)縱坐標(biāo)，m；ρ為流體密度，Kg/m3；m為指數(shù)；其余符號(hào)意義同前。

式（3）中指數(shù)m隨雷諾數(shù)和管壁粗糙度改變，當(dāng)雷諾數(shù)Re＜105時(shí)，取m＝，此時(shí)式（3）稱(chēng)為流速分布的七分之一指數(shù)分布［15］。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 歐拉模型介紹

歐拉多項(xiàng)流模型可以模擬多相的流動(dòng)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(méi)有液－液、液－固（Granular）的差別。Granular流在計(jì)算時(shí)是一種簡(jiǎn)單的固體流動(dòng)，它涉及至少有一相被指定為Granular相，可以根據(jù)顆粒動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算顆粒的壓力和黏性，計(jì)算每一相物質(zhì)的流動(dòng)參數(shù)。各相共享單一的壓力場(chǎng)，對(duì)每一相都求解動(dòng)量和連續(xù)性方程。計(jì)算結(jié)果給出各相的流動(dòng)速度，可以對(duì)每一相的流速進(jìn)行分析［16］。

2.2 數(shù)值模型建立

使用Fluent 6.3數(shù)值模擬軟件前處理器Gambit 2.2，建立數(shù)值幾何模型，對(duì)應(yīng)的求解器為solver5/6。本次研究采用Fluent－3D解算器，計(jì)算精度高，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求大，模型尺寸每增大一倍，計(jì)算量會(huì)增大近103倍。為了使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，同時(shí)不失模擬的相似性，建立數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 L形管道數(shù)值模擬幾何模型

數(shù)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(zhǎng)度為10m，水平管道的長(zhǎng)度為20m，彎管中心曲率半徑為500mm。在笛卡爾三維坐標(biāo)系中，在XY平面上水平管道縱斷面的坐標(biāo)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(kāi)始，每隔5m設(shè)置料漿流動(dòng)觀測(cè)斷面。

根據(jù)實(shí)際充填鋼管內(nèi)壁粗糙度，劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)置邊界層。管道直徑為200mm，設(shè)置的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的網(wǎng)格度為10mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果均勻細(xì)致。設(shè)定邊界類(lèi)型為速度入口（velocity－inlet）、墻體（wall）和速度出口（velocity－outlet）。

2.3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料的物理性質(zhì)

根據(jù)就近取材的原則，選擇司家營(yíng)礦選廠超細(xì)全尾砂，篩分測(cè)定其粒級(jí)組成和尾砂級(jí)配，按照1∶6的灰砂比，配至濃度為64%、68%和72%的超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿，分別測(cè)定三種料漿的密度、黏度、灰漿密度和黏度、體積濃度等。結(jié)合本次研究使用的200mm管徑和1.769m/s的初始流速，計(jì)算三種料漿在L型管道中流動(dòng)時(shí)的湍流強(qiáng)度。尾砂級(jí)配關(guān)系如表1所示，料漿物理性質(zhì)測(cè)定及湍流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

將Gambit構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型導(dǎo)入Fluent－3D解算器，檢查網(wǎng)格文件，確保計(jì)算域的大小符合所要進(jìn)行分析的計(jì)算域尺寸和最小網(wǎng)格體積大于0；設(shè)定計(jì)算區(qū)域尺寸單位，根據(jù)單位換算關(guān)系對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行縮放。選擇壓力基求解器（Pressure Based），三維（3D），定長(zhǎng)（Steady）等求解模型參數(shù)設(shè)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(jù)尾砂控制粒徑0.099mm設(shè)定尾砂的顆粒屬性（Granular）。計(jì)算尾砂相與灰漿相之間動(dòng)力交換系數(shù)的曳力函數(shù)為Wen and Yu模型函數(shù)，指定尾砂碰撞的歸還系數(shù)為0.9。

設(shè)定料漿入口處絕對(duì)壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模型以Y方向?yàn)樨Q直方向，輸入重力加速度－9.8m/s2。設(shè)定邊界條件和計(jì)算控制參數(shù)，進(jìn)行料漿管道內(nèi)流動(dòng)參數(shù)計(jì)算。邊界條件設(shè)定結(jié)果如表3所示。為提高計(jì)算精度，選擇二階迎風(fēng)計(jì)算模式，殘差收斂精度為10－4。

2.3.3 模擬結(jié)果后處理

迭代運(yùn)算至運(yùn)動(dòng)方程殘差值均達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算停止，認(rèn)為此時(shí)運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算殘差收斂情況如圖3所示。

表1 司家營(yíng)礦超細(xì)全尾砂級(jí)配分析結(jié)果

表2 料漿物理性質(zhì)和管內(nèi)湍流強(qiáng)度

表3 邊界條件設(shè)定

圖3 料漿管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算殘差收斂曲線

在x＝5m、x＝10m、x＝15m、x＝20m和z＝0m處設(shè)置5個(gè)流速觀測(cè)截面，導(dǎo)出5個(gè)觀測(cè)截面的尾砂和灰漿流速分布云圖和流速分布散點(diǎn)圖，分別導(dǎo)出5個(gè)觀測(cè)截面上各點(diǎn)的尾砂和灰漿流速值，篩選出最大流速及其出現(xiàn)的y坐標(biāo)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(jì)算不同截面處高流速區(qū)域?qū)挾?，?shù)據(jù)處理結(jié)果如表4和表5所示。

表4 水平管道中灰漿流速數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表5 水平管道中尾砂流速數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

分析表4和表5中數(shù)據(jù)可知，尾砂和灰漿的流動(dòng)特征基本一致，在水平管道斷面上流速基本上沿管道長(zhǎng)軸對(duì)稱(chēng)分布，說(shuō)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(xì)全尾砂在管道中均勻分布，尾砂和灰漿形成的料漿以均質(zhì)流的形式流動(dòng)，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(diǎn)圖印證了這一點(diǎn)。

水平管內(nèi)最高流速出現(xiàn)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(dòng)的高流速區(qū)域，64%濃度料漿的高流速區(qū)域?qū)挾茸畲螅?2%濃度次之，68%濃度料漿高流速區(qū)域?qū)挾茸钚?。根?jù)每個(gè)觀測(cè)截面上各點(diǎn)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(dòng)，72%濃度的料漿流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出屈服偽塑性體的流動(dòng)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?qū)挾却笥趥嗡苄泽w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?qū)挾让黠@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(xì)全尾砂料漿在200mm管道中的流速分布

4 結(jié)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(xì)全尾砂充填料漿在200mm管道中自流輸送時(shí)，易形成均質(zhì)流，在水平管道橫斷面上流速呈拋物線狀對(duì)稱(chēng)分布。

2）灰砂比為1∶6的超細(xì)全尾砂充填料漿濃度為64%時(shí)，料漿以牛頓體向前流動(dòng)；當(dāng)料漿濃度達(dá)到68%左右時(shí)，超細(xì)全尾砂料漿表現(xiàn)出塑性流動(dòng)的特征；超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿濃度達(dá)到72%時(shí)，料漿具有屈服應(yīng)力，在水平管道中流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出屈服偽塑性體的流動(dòng)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(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局“超大規(guī)模超深井金屬礦山開(kāi)采安全礦山技術(shù)”項(xiàng)目資助

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