多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性_甘德清.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-16基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51774137,51804121)。作者简介 甘德清(1962),男,教授,博士,博士研究生导师。多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性甘德清1,2 薛振林1,2 闫泽鹏1,2 张友志1,2 刘志义1,2(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063200;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063009)摘 要 为了探究多场耦合作用下高浓度充填料浆管道输送过程中的壁面滑移特性,基于流体动力学理论与非牛顿流体的基本原理对管内料浆流动过程进行分析,建立考虑温度场化学场料浆流场的多场耦合数值模型。并通过 Comsol 进行数值计算,分析初始温度、料浆浓度及管径对壁面滑移速度的影响规律。将模型计算结果与实验结果进行对比,误差小于 10%,证明了模型的有效性与可靠性。结果表明:温度升高,加剧尾砂颗粒的布朗运动,促使“絮网”结构向着“液网”结构转换,浆体黏度变小,滑移速度增大;管径增大,浆体所受剪切作用力变小,滑移速度减小,当管径达到 180 mm 时浆体所受剪切作用力小于发生滑移的临界值,管道输送过程中不存在完整的滑移过程;料浆浓度越大,浆体发生滑移运动所需的临界剪切应力越大,同时料浆浓度较大时,其所形成的滑移层较厚,滑移速度偏大。关键词 多场耦合 壁面滑移特性 高浓度 管道输送 滑移速度 中图分类号TD853.34 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-030-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302005Wall Slip Characteristics of High Concentration Filling Slurry under Multi-field CouplingGAN Deqing1,2 XUE Zhenlin1,2 YAN Zepeng1,2 ZHANG Youzhi1,2 LIU Zhiyi1,2(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063200,China;2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province,Tangshan 063009,China)Abstract In order to explore the wall slip characteristics during the high-concentration filling slurry pipeline transporta-tion under multi-field coupling,based on the basic principles of fluid dynamics theory and non-Newtonian fluid,the slurry flow process in the pipeline was analyzed to establish temperature and chemical reaction.Comsol was used for numerical calculation to analyze the influence of initial temperature,slurry concentration and pipe diameter on wall slip velocity.The results of model calculation were compared with the experimental results,and the error was less than 10%.The results show that the Brownian motion of tailings particles is intensified with temperature,and the flocculation mesh structure is transformed into liquid mesh structure,the slurry viscosity decreases,and the slip velocity increases.When the pipe diameter reaches 180mm,the shear force is less than the critical value of slippage,and there is no complete slippage process in pipeline transportation.The critical shear stress required for slippage increases with the increase of slurry concentration,resulting in thicker slippage layer and higher slippage velocity.Keywords multi-field coupling,wall slip characteristics,high concentration,pipeline transportation,slip speed 充填采矿法可以有效地控制地压、减少废料,达到建设绿色、安全矿山的目的1。近年来充填釆矿法在矿山的应用比重不断增加,其工艺技术也得到了迅猛发展,出现了水砂充填、分级尾砂充填、高浓度全尾砂充填和膏体充填等多种工艺手段2。与其他充填工艺相比,以采用高浓度全尾砂浆进行充填具有成本低、易于实现机械化的优点3,管道输送是高浓度全尾砂充填工艺的关键环节,是确保系统稳定、高效运行的前提4。高浓度全尾砂料浆是一种典型的非牛顿体5,其在管道输送过程中会发生表观滑移现象,即由于高分子的迁移使得管壁附近料浆浓度变化,形成一层浓度较低(正滑移)或较高(负滑移)的滑移层,使得管壁附近料浆发生相对运动6。吴爱祥等7建立了考虑壁面滑移效应的膏体管道输送阻力模型,通过自制的倾斜管道试验装置,得到了膏体的流变学参数。03Chen 等8通过流动实验结合穆尼分析法得出,不锈钢内壁的表面粗糙度最小时,聚合物的滑移速度达到最大。Hatzikiriakos S G 等9发现,当料浆的浓度较低时,固体颗粒不能有效地填充壁面附近区域,会形成一层几乎无颗粒的滑移层。Aral B K 等10通过试验证明,在给定剪切应力值的情况下,试验浆体温度为 90 时的滑移速度比 25 大 2 个数量级。受到测量手段和试验装置的限制,对于管道输送过程中滑移现象的测量仅停留在理论上的计算和流量压力等变量的测量,不能直接地观察到管内的流动状况,粗略的测量值很难作为论证依据11,传统两相流浆体与高浓度料浆结构流的输送差异性无法体现12,如何精准地描述高浓度料浆在管道中的运移形态和变化规律是管道输送中存在的重大难题13。随着计算机技术的发展,数值模拟成为研究流体流动的重要手段。谢翠丽等14采用了 CFD 技术进行了“固壁静止”三壁滑移的数值模拟,表明壁面滑移速度对流场会产生一定影响。唐俊等15建立了关于熔体的壁面滑移模型,得出壁面滑移可以有效地减小其动阻力。刘赵淼等16采用 CFD 分析微米级油膜缝隙流动情况下壁面滑移的规律,得出温度对壁面滑移具有促进的作用。Zhu L 等17通过格子 Boltz-mann 方法模拟微尺度通道内流体的滑移现象,揭示了该微尺度通道内的表观滑移机理,得出有效的滑动速度约为 9%的主流区速度。Alfeus Sunarso18通过数值模拟的手段对宏观和微观收缩通道中聚合物流动的滑移行为进行研究,发现滑移效应的变化取决于浆体的流变性质,同时还依赖于通道的尺寸。上述模拟研究大多集中在单一物理场内进行,与实际输送过程中的复杂情况存在偏差,且直接针对滑移速度的研究较少。基于前述分析,本研究建立考虑温度场、水化反应化学场及料浆管流流场的多场耦合滑移流动模型,通过 Comsol 软件进行模拟计算,分析初始温度、料浆浓度及管径对滑移速度的影响规律,揭示高浓度料浆管道输送过程中的滑移机理,为料浆管道输送理论的完善提供基础依据。1 数学模型1.1 考虑滑移效应的基本流动方程本次试验研究对象为高浓度充填料浆,其在管内发生的滑移属于表观滑移的范畴,壁面边界会形成一层粘度极低的薄层,使得管内流量较无滑移时增加,此时滑移流动的基本方程20为4R=4silpR+43ww02f()d,(1)式中,4/R 为总流剪切速率;4slip/R 为滑移剪切速率;右边最后一项为主流区剪切速率。1.2 水化方程为了描述管道输送过程中水泥水化反应的程度,引入了式(2)来表示水泥水化反应与时间的二维映射关系。(t)=(f)exp-Trt()S|,(2)(f)=1.0310.194+,(3)式中,(t)为 t 时刻水泥水化反应的程度;Tr为料浆温度为 Tr时的时间参数;S为水泥水化程度;参数(f)为水泥水化的最终程度;为水与水泥的比值。最终水泥水化程度(f)表示的为水泥水化反应的量与总水泥量的比值,所以(f)的值不能超过 1。计算得出,当 为 6.258 时,(f)等于 1。当 6.258 时,等式无效,在这种情况下(f)的值被认为是 1。1.3 热传递方程高浓度料浆在管道输送过程中的水化反应热、热量传递之间的耦合关系,可以通过 comsol 软件的内置数学模型来表述:(C)eqTt+wCwuwT=(keqT)+Q,(4)式中,(C)eq是充填料浆等效的体积热容量;w为充填料浆的密度;Cw为常压下充填料浆的热容;keq为充填料浆的热传导系数;uw为充填料浆的速度场;Q为热源项(水泥水化放热)。水泥水化的产热率 Qc(t)可以通过以下表达式来计算:Qc(t)=HcTrt()STcSTrt()(t)ETcR(1273+Tr-1273+Tc),(5)式中,Hc为水泥水化产生的热量;Tr为参考温度;Tc是料浆的温度;Tc和 Tr为水泥水化在相应温度的时间参数;ETc为表观活化能,当 Tc高于或等于 20 时,其为恒定值(33 500 J/mol);Tc低于 20 时,其值随 Tc变化,可采用式(5)计算。ETc=33 500+1 470 (20-Tc).(6)1.4 控制方程在流体力学中,主要的流动参变量有:流体压力p、密度、温度 T 和流速 u、w。对于不可压缩流体,13 甘德清等:多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性 2023 年第 2 期comsol 软件中控制流动传热的基本方程主要有能量守恒、动量方程、质量方程和状态方程21。Navier-Stokes 动量守恒方程(忽略外部体积力):(u-u0)ux+uy+wuz|=-p-+G(u-u0)x+y+wz|=-p-+G(u-u0)wx+wy+wwz|=-p-+G|,(7)=(T,-)ux+y+wz().(8)传热(能量守恒)方程(在傅里叶导热定律与能量守恒定律的基础上添加剪切应力得到):CpTux+CpTvy+CpTwz=xTx+u()+yTy+()+zTz+w().(9)质量守恒方程:pt+(u)=0.(10)状态方程:=(p,T).(11)2 数值模型可靠性验证为了对本次实验设计多场耦合模型的有效性进行检验,本节内容引用刘晓辉22等的实验结果,其研究重点为在壁面滑移作用下管内的输送阻力。根据他们数据记录管段的尺寸,设计几何模型为内径 150 mm、长 26 m 的圆柱形直管。为了减少计算时间几何模型基于二维轴对称空间维度进行构建(通过对某一切面流场的计算进而反演整个管道中的流动状态),几何模型如图 1 所示,阴影部