張剛武， 黃康鑫， 曾 健， 郝明輝， 王天西

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 611730；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610065)

水泥漿液長距離輸送流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究

張剛武1， 黃康鑫2， 曾 健1， 郝明輝2， 王天西1

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 611730；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610065)

在管道輸漿工程中，常常會(huì)關(guān)注水泥漿液在輸漿管道內(nèi)的速度和壓力變化情況，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到管道的安全運(yùn)行和運(yùn)行的能耗。文章通過工程案例針對(duì)長距離輸漿流動(dòng)特性利用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，分析管道長度、漿液黏度、輸漿速度及管徑對(duì)管道壓力損失和流速的影響。分析結(jié)果表明：輸漿管道內(nèi)百米壓降值為0.52～0.56 MPa，輸送距離對(duì)壓力損失影響較??；輸送壓力損失與水泥漿液黏度及流速之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符；當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時(shí)，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系。

長距離輸漿; 流動(dòng)特性; 數(shù)值模擬; 管道壓力損失

固體物料的漿體管道輸送是一種新興的現(xiàn)代化運(yùn)輸方式，目前已被廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、化工、水利和環(huán)保等諸多工業(yè)領(lǐng)域[1]。水泥漿液作為一種典型的固體物料，研究漿液配比(黏度)、流速、管道直徑等因素對(duì)壓力損失情況的影響具有重要意義，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到泵送設(shè)備的選擇和管道運(yùn)行的安全。由于實(shí)驗(yàn)研究的復(fù)雜性和局限性，不可能對(duì)漿液輸送的每個(gè)工況都進(jìn)行試驗(yàn)研究，數(shù)值模擬方法已經(jīng)在管道輸送中得到了廣泛的采用。鄧代強(qiáng)等人[2]采用數(shù)值模擬方法分析不同濃度料漿在長距離管道中的流動(dòng)壓強(qiáng)、流速及偏轉(zhuǎn)特性。姜小放等人[3]運(yùn)用FLUENT流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)改進(jìn)的三通管道進(jìn)行了湍流模擬，驗(yàn)證了管道設(shè)計(jì)的合理性。王繼紅等人[4]采用的兩相流理論模型與CFD模擬相結(jié)合的方式較為詳盡地獲得管道內(nèi)固液兩相流的各項(xiàng)信息參數(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，液固兩相流的數(shù)值模擬計(jì)算得到迅速的發(fā)展，其中FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD(Camputatianal Fluid Dynamics)軟件之一，廣泛用于模擬各種流體流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運(yùn)移等問題[5]。本文結(jié)合錦屏二級(jí)水電站引水隧洞輸漿系統(tǒng)，利用FLUENT軟件對(duì)輸漿管道在不同工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析管道壓力損失的各種影響因素，以為管道輸漿安全運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況及軟件簡介

灌漿是確保錦屏二級(jí)水電站引水隧洞在深埋、高地應(yīng)力和高外水壓力下的穩(wěn)定性的重要措施，但引水隧洞軸線長、需漿量大、輸送濃度高以及洞內(nèi)運(yùn)輸條件限制，水泥漿液的安全輸送是灌漿工程的首要難題。水泥漿液為固-液兩相流，其流變特性以及其在管道中的流體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理極為復(fù)雜，充分掌握水泥漿液在輸送管道內(nèi)的流體力學(xué)規(guī)律對(duì)解決依托工程長距離、高壓輸漿管道的安全性問題至關(guān)重要。

FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問題的專用CFD軟件。FLUENT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)各種復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于具有較大梯度的流動(dòng)區(qū)域，F(xiàn)LUENT提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性可讓用戶在很高的精度下得到流場的解。該軟件提供的湍流模型圈包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型及RSM模型和大渦模擬LES等。其中k-ε雙方程模型已經(jīng)被廣泛地用在管內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、剪切流動(dòng)等的數(shù)值模擬中并獲得了較大的成功[5]。其湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程具體為[6]：

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 計(jì)算工況及參數(shù)選取

本文重點(diǎn)研究管道長度、漿液配比(黏度)、輸送速度以及管道直徑對(duì)水泥漿液輸送過程中壓力損失的影響，具體工況及參數(shù)設(shè)置為：

(1)在研究管道長度對(duì)漿液流態(tài)影響時(shí)，根據(jù)引水隧洞輸漿工程的實(shí)際情況，近距離工況取50 m、300 m和500 m共三種長度，長距離輸送工況取1 000 m、2 000 m和3 000 m共三種長度。水泥漿液參數(shù)與實(shí)際施工保持基本一致：密度取1 735 kg/m3，黏度取60 MPa·s(約相當(dāng)于0.5添加1%的減水劑)，輸漿管道直徑為27 mm，輸漿流速取2.5 m/s，輸送能力為85 L/min。

(2)由于不同漿液配比對(duì)流態(tài)的影響主要體現(xiàn)在其具有不同的黏度，本文選取了40 mPa·s、60 mPa·s、80 mPa·s、100 mPa·s、130 mPa·s、150 mPa·s和200 mPa·s共7種不同黏度情況下的漿液流態(tài)、壓力損失等，管道計(jì)算長度取500 m，直徑為27 mm，流速取2.5 m/s。

(3)當(dāng)管道直徑確定時(shí)輸送的流速與流量一一對(duì)應(yīng)，因此有必要研究不同輸送流速(流量)工況下水泥漿液在管道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，本文研究計(jì)算了：0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s和3.5 m/s共7個(gè)流速工況。

醫(yī)學(xué)人才保持終生學(xué)習(xí)的能力，已成為不可或缺的要求。相較于其他專業(yè)，醫(yī)學(xué)對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研素質(zhì)提出了更高的要求[8]，而規(guī)范化的學(xué)生科研團(tuán)隊(duì)則可以為學(xué)生提供良好的科研思維訓(xùn)練。然而由于場地、資金及相關(guān)配套設(shè)施等問題，客觀上限制了學(xué)生科研團(tuán)隊(duì)的質(zhì)量。對(duì)比于基數(shù)龐大的學(xué)生數(shù)量，名額配給過少，只能向精英化模式發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前需求。對(duì)此，應(yīng)主動(dòng)地改革教學(xué)方式，將一線教學(xué)與學(xué)生科研團(tuán)體相結(jié)合，理論課程教學(xué)作為學(xué)生科研團(tuán)體的基礎(chǔ)，學(xué)生科研團(tuán)體的開展促進(jìn)專業(yè)教育的延伸，二者相互促進(jìn)并互相融合。學(xué)校應(yīng)主動(dòng)為學(xué)生科研活動(dòng)的開展給予充足的物質(zhì)保障，提升科研團(tuán)隊(duì)質(zhì)量，使更多的學(xué)生從科研活動(dòng)中受益。

(4)研究管道直徑對(duì)水泥漿液在管道內(nèi)流速分布、壓力損失等參數(shù)的影響時(shí)，管道直徑根據(jù)相關(guān)規(guī)范選擇常用的20 mm、25 mm、32 mm、40 mm和50 mm共5種，輸漿流量定于80 L/min，水泥漿液黏度取60 mPa·s。

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)錦屏二級(jí)水泥漿液輸送的實(shí)際情況，在研究中主要用到了速度入口和壓力出口兩種邊界條件，現(xiàn)分別介紹如下：(1)水泥漿液的壓縮性可以忽略不計(jì)，因此可以選用速度入口邊界條件用于定義流速以及入口的流動(dòng)屬性相關(guān)標(biāo)量；(2)水泥漿液出口處壓力為大氣壓強(qiáng)且流速不高，所以可以采用壓力出口邊界條件，壓力出口邊界條件需要在出口邊界處指定靜壓。

在FLUENT軟件中使用ICEM CFD建模并生成網(wǎng)格，ICEM CFD提供了高級(jí)幾何獲取、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格優(yōu)化以及后處理工具，可滿足CFD對(duì)網(wǎng)格劃分的嚴(yán)格要求。由于水泥灌漿系統(tǒng)管路整體性比較好，故可直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格計(jì)算步長依具體工況而定。通過ICEM CFD生成的網(wǎng)格文件，可采用File/Read/Case命令導(dǎo)入FLUENT中，以進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析。網(wǎng)格劃分示意圖如圖1。

圖1 ICEM CFD網(wǎng)格示意

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 管道長度對(duì)漿液流動(dòng)規(guī)律的影響

50～3 000 m輸漿距離下，所需輸送壓力、壓力損失以及管道內(nèi)的最大、最小流速見表1。

表1 不同輸漿長度下計(jì)算結(jié)果匯總

在水泥漿液的輸送工程中，我們較為關(guān)注的是輸送的壓力損失，輸漿距離與百米距離壓力損失關(guān)系如圖2所示。當(dāng)輸送漿液為50 m時(shí)，管道輸送的百米壓力損失為0.66 MPa;輸送距離為50～500 m時(shí)，管道輸漿的百米壓力損失為0.52 MPa;500 m以上，輸漿管道的百米壓力損失為0.55～0.56 MPa。在輸送距離短于50 m時(shí)損失較大是由于漿液從平均流速向?qū)恿餮莼^程中，流態(tài)的紊動(dòng)造成的。綜上可知，當(dāng)漿液的黏度、管徑、流速確定時(shí)，輸漿過程中的壓力損失對(duì)輸漿距離不敏感，百米長度壓力損失為0.52～0.56 MPa。

圖2 輸送長度與單位壓力損失關(guān)系

3.2 漿液黏度對(duì)漿液流動(dòng)規(guī)律的影響

漿液黏度與百米長度壓力損失關(guān)系如圖3所示。當(dāng)輸送管道直徑、流速確定時(shí)，輸送壓力損失與水泥漿液黏度之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。在管徑27 mm、流速2.5 m/s時(shí),該關(guān)系式為：y=6.9534x+0.1066，40～200 mPa·s的水泥漿液的輸送百米壓力損失介于0.36～1.48 MPa，該計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測(cè)試壓力損失基本相符。不同黏度下水泥漿輸送參數(shù)見表2。

圖3 漿液黏度對(duì)壓力損失的影響

黏度/(Pa·s)流速/(m·s-1)百米壓降/MPa最大流速/(m·s-1)最小流速/(m·s-1)0.042.50.363.10781.66690.062.50.522.96621.84620.082.50.673.05251.73270.102.50.813.11521.64710.132.51.023.16491.57590.152.51.152.98631.82150.202.51.482.99161.7900

3.3 流速對(duì)漿液流動(dòng)規(guī)律的影響

輸漿流速在0.5～3.5 m/s范圍內(nèi)時(shí)，水泥漿液在管道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律計(jì)算匯總表見表3。

表3 不同輸漿流速時(shí)數(shù)值仿真計(jì)算成果

根據(jù)表3可繪制輸漿流速與輸送壓力損失的關(guān)系(圖4)。當(dāng)輸送管道直徑、漿液黏度確定時(shí)，輸送壓力損失與水泥漿液流速之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。在管徑27 mm、漿液黏度為60 mPa·s時(shí),該關(guān)系式為：y=0.2108x。同時(shí)需注意，根據(jù)輸漿試驗(yàn)時(shí)的觀察，認(rèn)為在輸送管道水泥漿液呈擬均質(zhì)流，在數(shù)值仿真計(jì)算中可不考慮水泥漿液的沉積性，但流速過低、輸漿距離過長時(shí)仍需要考慮水泥顆粒的少量沉積。因此考慮沉積、管道磨損和壓力損失等因素影響，建議水泥漿液的輸送流速介于1.5～2.5 m/s之間。

圖4 輸漿流速對(duì)壓降的影響

3.4 管道直徑對(duì)漿液流動(dòng)規(guī)律的影響

不同管徑下，漿液在管道內(nèi)的最大、最小流速以及壓力損失見表4所示。

表4 不同黏度下水泥漿液輸送參數(shù)

圖5為輸漿管路直徑與輸送壓力損失之間的關(guān)系圖。如圖5所示，當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時(shí)，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系。在管徑流量為80 L/min、漿液黏度為60 mPa·s時(shí)，該關(guān)系式為：y=278126x-4。

圖5 輸漿管道直徑對(duì)壓降的影響

4 結(jié)論

本文建立了輸漿管道的物理模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定，隨后利用FLUENT對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到以下基本結(jié)論：

(1)在錦屏二級(jí)引水隧洞輸漿工程中，長距離工況下輸漿管道的百米壓力損失為0.55～0.56 MPa?？傮w來說，在長距離輸送漿中輸送距離對(duì)壓力的損失影響不大。

(2)當(dāng)輸送管道直徑、流速確定時(shí)，輸送壓力損失與水泥漿液黏度之間呈線性關(guān)系，計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。黏度在40～200 mPa·s的水泥漿液的輸送百米壓力損失介于0.36～1.48 MPa之間。

(3)當(dāng)輸送管道直徑、漿液黏度確定時(shí)，輸送壓力損失與水泥漿液流速之間也呈現(xiàn)線性關(guān)系。綜合考慮沉積、管道磨損和壓力損失等因素影響后，建議水泥漿液的輸送流速1.5～2.5 m/s。

(4)當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時(shí)，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，可以作為類似工程管徑的選擇提供參考。

[1] 白曉寧，胡壽根．漿體管道的阻力特性及其影響因素分析[J]．流體機(jī)械，2000，28(11)：26-29．

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[3] 姜小放，曹西京，司震鵬．FLUENT技術(shù)在工業(yè)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．化工設(shè)備與管道，2009,46(5):46-48．

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[定稿日期]2015-05-26