楊培培， 姚 心， 謝盛青， 楚金旺， 郭天宇， 駱嘉輝

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

高濃度及膏體充填采礦技術(shù)是國內(nèi)近幾年發(fā)展較為迅速的一種充填技術(shù)，因其安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為建設(shè)綠色礦山和無廢礦山的重要手段。但是充填需要一定的成本，如何在材料配比、充填料制備輸送等方面創(chuàng)新、降低充填成本、提高充填的可靠性、減少工人的勞動強(qiáng)度，對尾礦充填技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大的意義。

高濃度及膏體充填料的輸送性能[1-3]是工業(yè)生產(chǎn)上的重要參數(shù)，管道輸送的沿程阻力大小決定了充填料能否順利達(dá)到采場和空區(qū)。目前國內(nèi)外對于水力充填管道輸送沿程阻力的計(jì)算有十余種經(jīng)驗(yàn)公式，如杜蘭德公式、金川公式等。但是具體礦山膏體充填使用的材料千差萬別，其流變特性也差別較大，既有的計(jì)算公式雖然有參照價(jià)值，直接引用往往會造成較大的誤差。針對特定礦山的充填，通常需通過半工業(yè)、工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值仿真來獲得膏體充填的輸送性能。其中半工業(yè)、工業(yè)試驗(yàn)難度大，周期長，消耗大量的人力和物力，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只適用于特定的礦山、特定的生產(chǎn)工況，難以推廣應(yīng)用到其他礦山；而數(shù)值仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確模擬尾礦充填輸送的壓力、流速和沿程阻力，成為尾礦充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化的重要手段。但是一個(gè)完整的仿真計(jì)算過程包括三維建模、高質(zhì)量網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算，每個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)都高度依賴于專業(yè)仿真軟件，要求仿真人員有極高的專業(yè)知識和仿真技術(shù)。

本文針對礦山尾礦充填輸送仿真計(jì)算，基于通用仿真軟件進(jìn)行定制化開發(fā)，通過編程對建模、網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算軟件的聯(lián)合開發(fā)完成全封裝設(shè)計(jì)。用戶在使用過程中只需要與編寫的操作界面進(jìn)行交互，通過腳本文件將用戶輸入的參數(shù)傳遞給建模和網(wǎng)格劃分軟件驅(qū)動模型和網(wǎng)格更新，驅(qū)動仿真計(jì)算軟件完成仿真分析。整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化建模、交互式網(wǎng)格劃分和自動化仿真計(jì)算設(shè)置，對尾礦充填管路輸送性能研究具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

1 尾礦充填輸送仿真平臺

1.1 三維建模過程

三維參數(shù)化建模方法分為兩種，第一個(gè)是編程法，第二個(gè)是尺寸驅(qū)動法[4]。編程法參數(shù)化建模過程完全由程序進(jìn)行驅(qū)動，不需要擁有模型庫就能生成想要的模型，而尺寸驅(qū)動法是通過修改現(xiàn)有模型庫中的參數(shù)從而獲得新模型。

國內(nèi)多數(shù)礦山經(jīng)歷了幾十年的開采歷史，充填管路系統(tǒng)隨著實(shí)際開采的需求逐步往井下延伸，使得整個(gè)系統(tǒng)極其復(fù)雜，有些系統(tǒng)由多達(dá)百段以上的管路結(jié)構(gòu)組成。針對充填管路系統(tǒng)而言，不同礦山，充填管路結(jié)構(gòu)多變，無法通過生成模板零件僅修改尺寸就能生成滿足各種需求的管路模型。若是采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行建模，管路的建立需要大量的重復(fù)性工作，效率低，強(qiáng)度大，時(shí)間長，操作過程容易出錯(cuò)。

本文基于模型驅(qū)動的編程參數(shù)化建模方法[5]，以通過編程生成動態(tài)鏈接庫(*.dll)文件，通過輸入管徑、圓角半徑、充填管路坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)全自動生成充填管路系統(tǒng)，生成的模型如圖1所示，極大地縮短建模時(shí)間、降低建模工作量、提高效率和準(zhǔn)確率。從圖2局部管路模型可以看出，管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。

圖1 整體管路模型

圖2 局部管路模型

1.2 網(wǎng)格劃分過程

網(wǎng)格劃分是仿真計(jì)算的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格質(zhì)量和形式對計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模產(chǎn)生重大影響，直接決定了數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精度、求解的收斂性以及求解速度，并且網(wǎng)格劃分階段所花費(fèi)的時(shí)間也占整個(gè)仿真分析時(shí)間的很大比例。

本文通過對網(wǎng)格劃分軟件的二次開發(fā)，通過極少的參數(shù)控制，生成高質(zhì)量的六面體主導(dǎo)的模型網(wǎng)格。實(shí)現(xiàn)方式是預(yù)先定制網(wǎng)格劃分的方式，結(jié)構(gòu)尺寸，入口和出口邊界的命名等操作，生成模板文件，將三維模型導(dǎo)入該模板文件，選取相應(yīng)的入口面、出口面，完成模型的網(wǎng)格劃分。以局部的網(wǎng)格分布為例說明，如圖3所示。

圖3 局部網(wǎng)格分布

1.3 仿真計(jì)算過程

Fluent采用計(jì)算流體動力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)，可以準(zhǔn)確模擬尾礦充填輸送的壓力、流速和沿程阻力，成為尾礦充填系統(tǒng)方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化的重要手段。在Fluent對CFD問題計(jì)算之前，需要進(jìn)行導(dǎo)入網(wǎng)格模型文件、網(wǎng)格檢查、選擇求解器、計(jì)算模型、指定物理材料、邊界條件、初始化等設(shè)置。這個(gè)過程包含了大量相同或相似的操作，引起了極大地人員和時(shí)間浪費(fèi)，也加大了實(shí)施過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

Fluent軟件為滿足用戶的特定需求提供了豐富的二次開發(fā)接口，如通過UDF修改流體物性參數(shù)、修改控制方程、用戶自定義標(biāo)量輸運(yùn)方程等；通過圖形用戶界面(GUI)收集用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，利用Scheme語言結(jié)合TUI(Text User Interface)和UDF實(shí)現(xiàn)仿真流程控制；利用計(jì)算機(jī)編程語言構(gòu)建GUI界面輸入用戶參數(shù)，生成定制的jou文件，將jou文件作為參數(shù)由Fluent進(jìn)行調(diào)用。

Fluent中journal文件包含了用戶進(jìn)行的一系列操作的命令集合[6-7]。用戶在Fluent命令行中輸入的所有命令和在圖形用戶界面(GUI)中輸入的所有內(nèi)容都會記錄為journal代碼，從而形成日志文件。對此日志文件進(jìn)行參數(shù)化編輯后，可保存為Fluent標(biāo)準(zhǔn)的日志文件。Fluent日志文件支持兩種類型的操作命令，一種是通過在Fluent窗口中操作菜單時(shí)記錄在日志文件中的命令；一種是基于Fluent提供的用于TUI(Text User Interface)模式下的命令行控制方式，通過在命令控制臺輸入相關(guān)命令來控制Fluent。

本文通過編寫控制臺輸入的相關(guān)命令和進(jìn)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算過程的二次開發(fā)。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文針對某深部礦山充填系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)情況，采用上述基于通用仿真軟件二次開發(fā)的仿真系統(tǒng)，建立一比一礦山充填管道輸送模型，通過數(shù)值仿真計(jì)算研究輸送介質(zhì)在不同工況條件下(不同濃度和流量)對其管道輸送的影響，著重對管道系統(tǒng)的沿程阻力損失及彎管受力情況進(jìn)行分析，并與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，最終得到全尾砂充填料漿管道自流輸送的最佳運(yùn)行參數(shù)。

2.1 流量對沿程壓力分布的影響

圖4所示為濃度68%的沿途壓力損失，豎直管路的管道壓力從上到下逐漸增大，根據(jù)粘性流體伯努利方程分析可知，重力勢能的減少值大于這段管路的沿程阻力損失值，壓力增大。顯然，水平管路的管道壓力逐漸減小，因?yàn)橥黄矫妫亓菽懿蛔?，沿程阻力損失的存在使管路壓力逐漸降低。

圖4 濃度68%時(shí)管路沿程壓力分布

圖5所示為不同流量時(shí)管路沿程阻力損失的對比分析，隨著流量的增加，沿程阻力損失逐漸增大。濃度一定時(shí)，充填料漿在管道輸送過程中，阻力損失與料漿流量相關(guān)，呈正比關(guān)系，流量越大，阻力損失越大。

圖5 流量對沿程阻力損失的影響

2.2 濃度對沿程壓力分布的影響

圖6所示為不同料漿濃度時(shí)管路沿程阻力對比分析。顯然，隨著濃度的增加，出口處壓力值大幅度降低，沿程阻力損失大幅度增加。即濃度與沿程阻力損失成正比例關(guān)系，濃度越大，沿程阻力損失越大。

圖6 不同濃度時(shí)對沿程阻力損失的影響

3 結(jié)論

本文針對尾礦充填輸送基于商業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了充填管路的快速精確建模、高效仿真計(jì)算，獲取了壓力、速度、沿程阻力等結(jié)果，為工藝方案的驗(yàn)證和比選、最佳工藝參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

(1)本文基于三維建模軟件的二次開發(fā)，給定充填管路坐標(biāo)點(diǎn)位置、管徑、轉(zhuǎn)角半徑等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維充填管路的自動參數(shù)化建模；

(2)通過編程搭建友好的可視化界面，數(shù)值仿真計(jì)算固化后置于后臺，工藝設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置置于前臺，實(shí)現(xiàn)自動化仿真計(jì)算；

(3)尾礦充填輸送仿真計(jì)算系統(tǒng)可用于礦山尾礦充填管路輸送壓力、流速、沿程阻力的精確模擬，快速進(jìn)行尾礦充填系統(tǒng)的方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化。

本文的研究成果可應(yīng)用于國內(nèi)眾多礦山的尾礦充填輸送、智能充填系統(tǒng)研究，為方案驗(yàn)證和工藝優(yōu)化提供了一種準(zhǔn)確可靠的研究方法。