充填料浆L 型管自流输送偏移特性研究-sup-①-_sup-_张宗国.pdf

充填料浆 L 型管自流输送偏移特性研究 ① 张宗国， 史秀志， 吝学飞 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083 摘 要 为了研究充填料浆在 L 型管自流输送时的偏移特性,将充填倍线、充填管径、质量浓度作为影响因素,进行了正交设计和 计算流体力学CFD试验。 研究发现流速最大处偏移不一定最大；弯管处每个位置的最大流速皆随管径增大而减小,随质量浓度 增大而增大；每个位置的偏移量均随管径增大而增大；影响最大偏移量的显著性和敏感性均为充填管径＞充填倍线＞质量浓度,其中 充填管径为显著因素；最大偏移出现位置随充填管径增大下移,随质量浓度增大上移；最大流速出现位置随充填管径增大下移,随 质量浓度增大上移,随充填倍线增大下移。 建立了反映 3 因素下弯管最大偏移量的数学预测模型,并设计了 4 组验证试验,计算值 与试验值差率均在 2.5％以下,证实了该预测模型有效。 关键词 管道输送； 计算流体力学； 偏移特性； 最大流速； 最大偏移量； 数值分析； 充填料浆； 自流输送 中图分类号 TD853文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.003 文章编号 0253-6099201905-0009-05 Flow Characteristics of Slurry Backfill Transported by Gravity in a L-shaped Pipe ZHANG Zong-guo, SHI Xiu-zhi, LIN Xue-fei School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China Abstract In order to study the flow characteristics of slurry backfill transported by gravity in a L-shaped pipe, an orthogonal experiment and computational fluid dynamics technology CFD test were conducted with backfilling time line N, pipeline diameterD and slurry concentrationc as the influencing factors. It is found that the maximum flow rate does not necessarily lead to maximal drift of the slurry from the center line of the pipe. At each position of elbow, the maximum flow rate decreases with an increase of D, but increases with an increase of c, the drift of slurry at each position increases with the increase of D. The impact on the drift brought by the influencing factors is shown in the following descending order D＞N＞c, indicating D contributes largely to the drift of slurry. And the drifting position moves downward as D increases, but moves upward as c increases. The position with the largest flow rate moves downward as D increases and N increases, but moves upward as c increases. Then, a mathematics model was constructed for predicting the maximum drift based on these three factors, and four sets of tests were designed for verification. It is shown that the errors between the calculation value and experimental results are below 2.5％ by average, proving this prediction model is valid. Key words pipeline transportation； computational fluid dynamics； flow characteristics； maximum flow velocity； maximum drift； numerical analysis； slurry backfill； transport by gravity 充填采矿法有效地控制了地压、减少了岩爆等灾 害的发生,其安全性好、效率高,越来越被深井矿山使 用。 良好的管道输送性能保证了充填采矿安全高效进 行［1］。 管道输送不同浓度物料时,由于输送管道的材 质、长度等差异而造成料浆的输送速度、阻力损失变化 很大,充填料浆多元性的组分对管道造成一定程度的 磨蚀,弯管处的流速分布更是对管路的磨损冲击和耐 磨性能影响巨大［2-3］,所以充分掌握管道中充填料浆 流态,对深井长距离管道输送料浆至关重要,同时也可 为充填管网的维护提供技术支持。 ①收稿日期 2019-04-06 基金项目 国家自然科学基金51874350,41807259；国家重点研发计划2017YFC0602902 作者简介 张宗国1994-,男,山东济南人,硕士研究生,主要从事采矿工艺及爆破研究工作。 通讯作者 史秀志1966-,男,河北邢台人,教授,博士研究生导师,主要从事安全技术与爆破研究工作。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 目前,关于充填料浆对管道产生严重磨损的问题, 国内外在充填管道耐磨材料研发与充填钻孔磨损上的 研究较多［4-5］,但是充填料浆自流输送问题仅仅依靠 类比法、经验公式或相关试验来解决时,往往主观性强 且费时费力,所以还需更客观、系统的研究。 随着计算 机技术的发展,计算流体力学CFD技术应运而生,为 充填料浆自流输送问题的研究提供了新思路。 但查阅 文献后发现,在利用 CFD 研究充填料浆管道输送问题 上,很多学者只涉及了水平管路或垂直管路,未涉及弯 管,或者没有研究弯管处最大流速偏移管道中心距离, 没有研究不同初始流速下充填倍线、充填管径等的 影响。 基于以上分析,本文利用 CFD 技术,分析不同充 填倍线 N、质量浓度 c 以及充填管径 D 下最大偏移、最 大流速的变化情况,以期对管道磨损问题的研究提供 新思路。 1 料浆流动状态分析 充填料浆经过 L 型充填管道垂直段时,管壁附近 的流速为 0,越靠近管道中心流速越大,管道中心形成 了高速柱流区流核 ［6］；充填料浆由垂直管进入弯管 时,料浆的速度分布变得比较复杂,高速柱流区的运动 方向发生剧烈改变,料浆在弯管处运动方向改变了 90,稳定的流速场遭到破坏,动量改变很大,速度最大 值点由管道中心线偏向管道内下侧方［7-8］,弯管外侧 内壁面受到了充填料浆的剧烈冲击,管道磨损很 大［9］。 当料浆克服弯管阻力后继续向前流动,在水平 管道中逐渐形成稳定的管道流。 因此料浆对弯管的高 速冲击是造成管道磨损严重的重要原因之一。 笔者认为,最大流速线越靠近管道中心线,即最大 流速线对管道中心线的偏移量以下简称偏移量越 小,靠近弯管外壁的低流速料浆对高流速料浆产生缓 冲作用,料浆对弯管外壁冲击较小；最大流速线越远离 管道中心线,即偏移量越大,高流速料浆越容易直接冲 击外壁,磨损越大。 因此统计最大偏移及研究最大偏移出现的位置, 对于减小管道磨损、合理确定加强管道耐磨性的位置 等有重要意义。 但想要统计弯管处所有位置上的最大 偏移量比较困难,因此本文设定了弯管处 45x ＝ y 处P1、两截面连线的中垂线P2以及 90x＝0.5 m 处P3这 3 个截面,以 3 个截面上偏移量的最大值 作为整个弯管的最大偏移,并以此位置代替最大偏移 出现的位置。 3 个截面的最大流速达到最大者,即认 为弯管最大流速出现在这个位置附近。 2 正交试验设计及料浆参数 以灰砂比 1∶6的分级尾砂及浸出渣的充填料浆为 研究对象［10］,保持充填量为 90 m3/ h,采用正交试验 法,所取的因素包括充填倍线 N、充填管径 Dmm和 质量浓度 c％,每个因素皆设置 5 个水平,所取的水 平参考类似矿山常用数值范围,选择 L2553正交试验 方案,试验设计的三因素各水平值及料浆的参数详见 表 1～2。 表 1 影响因子水平值 水平 因素 充填倍线 N充填管径 D/ mm质量浓度 c/ ％ 13.09065 24.010068 34.511072 45.012075 56.013078 表 2 不同质量浓度下的料浆性质 质量浓度 c/ ％料浆密度/ kgm -3 料浆粘度/ Pas 651 8880.125 9 681 9560.252 6 722 0020.367 5 752 0680.528 3 782 1550.749 4 3 FLUENT 计算模型的建立及计算结果 以表 1 为基础建立模型,以凡口铅锌矿狮岭南深 部-320 m 中段至-400 m 中段的充填管道为例进行分 析［11］,为了减少网格数量,采用雷诺数保持不变的原 则,把充填管路缩短为实际的1/5,即管道高程变为16 m, 弯管处曲率半径仍为0.5 m,构建 L 形管充填管道输送 系统如图 1 所示。 出口管道 进口 半径为0.5 m 16 m 64 m 图 1 充填倍线为 5 的 L 形充填管道模型 根据 Durand 公式计算充填系统所需要的临界流 速,根据克挪罗兹经验公式计算料浆在管道中的实际 流速［1］,计算模型根据雷诺数 Re 的大小为选择依据, 01矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing Re＜2 300 时,选择 Laminar 计算模型；Re＞2 300 时,选 择 k-epsilon 计算模型［12］。 各位置的偏移量和最大流速统计结果见表 3。 表 3 偏移量、最大流速统计表 序号 因素偏移量/ mm最大流速/ ms -1 ND/ mm c/ ％P1P2P3P1P2P3全管 13.0906519.827.932.84.254.284.434.56 23.01006835.731.626.54.184.044.034.32 33.01107240.339.539.44.083.903.955.15 43.01207534.337.738.43.133.043.054.34 53.01307847.746.746.43.433.283.283.71 64.0906823.628.032.75.124.964.945.28 74.01007236.235.537.05.004.794.896.30 84.01107540.139.940.64.234.044.055.19 94.01207837.443.038.13.513.323.354.33 104.01306522.240.847.32.292.292.392.50 114.5907232.932.232.86.266.076.177.77 124.51007536.635.936.55.104.905.006.31 134.51107834.934.834.74.093.933.955.17 144.51206520.632.238.22.652.652.772.88 154.51306847.147.347.43.032.922.973.74 165.0907532.932.432.66.346.136.217.81 175.01007831.936.531.75.174.985.026.32 185.01106519.030.140.13.163.173.303.43 195.01206832.937.837.63.173.163.244.37 205.01307247.147.147.32.982.953.043.72 216.0907832.432.532.46.366.136.197.77 226.01006522.231.735.83.803.833.984.12 236.01106834.534.640.53.383.403.525.19 246.01207243.342.444.03.473.343.364.36 256.01307535.541.046.82.632.622.693.71 4 试验结果及分析 4.1 最大流速分析 为分析各影响因素对充填料浆管输最大流速的单 独作用,结合 P1、P2、P3和整个弯管各水平值对应各因 子的最大流速的平均值,制成图 2。 由图 2 可以得知, 3 个位置上的最大流速与整个弯管最大流速关于充填 倍线、充填管径、质量浓度 3 因素的变化趋势大体一 致,以这 3 个位置代替整个弯管,得出以下结论弯管 处每个位置上的最大流速随管径增大而减小,但变化 速率逐渐变小；弯管处每个位置上的最大流速随质量 浓度增大而增大,当质量浓度大于 72％时,最大流速 增速变缓；弯管处每个位置上的最大流速在充填倍线 为 4.5 时取得最大值,充填倍线大于 4.5 后最大流速会 随充填倍线增大而减小。 充填管径/mm 7.0 6.4 5.8 5.2 4.6 4.0 3.4 2.8 90100110120130 最大流速/m s-1 ■ ● ▲ ◆ ■ ●▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ■ ■ ● ▲ ◆ ● ▲ ◆ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ 质量浓度/ 5.6 5.2 4.8 4.4 4.0 3.6 3.2 6568727578 最大流速/m s-1 充填倍线 5.3 4.9 4.5 4.1 3.7 3.3 344.556 最大流速/m s-1 ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ 图 2 各因素与最大流速关系图 4.2 最大偏移量分析 为分析各影响因素对充填料浆输送最大偏移量的 单独作用,结合 P1、P2、P3和整个弯管各水平值对应各 因子的最大偏移量的平均值,用图 3 表示。 由图 3 可 以得知,3 个位置上的偏移量与弯管最大偏移量关于 充填倍线、充填管径的变化趋势基本一致,关于质量浓 度的变化趋势并不一致,以这 3 个位置代替整个弯管, 得出以下结论弯管处每个位置上的偏移量随管径增 大而增大,当管径大于 120 mm 时,变化速率变大；充 填倍线改变,弯管处每个位置上的偏移量变化趋势并 不明显；增大质量浓度,弯管处每个位置上的偏移量变 化趋势不一致,但弯管的最大偏移量基本不变。 极差分析结果表明,充填倍线、充填管径、质量浓 度的极差分别为 2.109、14.509 和 1.440,因此得出各因 素对结果的敏感性主次顺序为充填管径 D＞充填倍线 N＞质量浓度 c。 11第 5 期张宗国等 充填料浆 L 型管自流输送偏移特性研究 ChaoXing 充填管径/mm 48 44 40 36 32 28 90100110120130 最大偏移量/mm ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ● ▲ ◆ ■ ▲ ◆ ■ ● ● ▲ ◆ ■ ▲ ◆ ●■ ▲ ◆ ● ■ ▲ ◆ ● ■ ▲ ◆ ■ ● ● ● ● ● ▲ ◆ ■ ▲ ◆ ■ ▲ ◆ ■ ▲ ◆ ■ ▲ ◆ 质量浓度/ 45 40 35 30 25 20 6568727578 最大偏移量/mm 充填倍线 42 40 38 36 34 32 30 28 344.556 最大偏移量/mm P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ P1 P2 P3 全管 ■ ● ▲ ◆ 图 3 各因素与最大偏移量关系图 4.3 弯管最大偏移量方差分析 运用方差分析对试验数据进行处理,得到影响试 验结果的各因素显著程度。 当 Sj＜2Se时,为了增加 F 检验的灵敏度,需要把因素的偏差平方和、自由度并入 误差的偏差平方和、自由度,记为误差 eΔ,再进行验 证 。方差分析结果见表4。显著性分析结果表明,充填 表 4 最大偏移量方差分析结果 方差 来源 偏差 平方和 自由 度 均偏差 平方和 FFα显著性 充填倍线14.5843.6452.382 充填管径580.474145.11694.849 F0.014,8 ** 质量浓度7.5941.8981.241 误差 e4.6541.163 误差 eΔ12.2481.530 注① F0.014,8＝ 7.01,F0.054,8＝ 3.84；② F＞F0.01fj, fe,该因 素高度显著,以**表示；F0.01fj, fe＞F＞F0.05fj, fe,该因素显 著,以*表示；F＜F0.05fj, fe,该因素不显著。 管径对最大偏移量的影响高度显著；充填倍线、质量浓 度的影响不显著。 4.4 出现位置分析 4.4.1 最大偏移出现位置与最大流速位置的关系 25 组试验中仅有 15 组一致,其余 10 组第 4、6、 7、8、9、15、17、19、21、24 组并不一致,故弯管最大偏 移出现位置与弯管最大流速出现位置并不完全一致。 4.4.2 最大偏移位置、最大流速位置分析 结合各水平值对应各因子的最大偏移位置、最大 流速位置的平均值可以得出弯管最大偏移位置与弯管 最大流速位置随充填管径增大而往下移动,随质量浓 度增大而往上移动；弯管最大流速位置随充填倍线增 大而往下移动；充填倍线小于 4.5 时,弯管最大偏移位 置随充填倍线增大而先往下移动再往上移动,充填倍 线大于 4.5 时,弯管最大偏移位置随充填倍线的增大 而往下移动。 5 数值分析与模型预测 5.1 多元拟合最大偏移量 为综合分析 3 个影响因素与弯管最大偏移量的关 系,依据表 3 数据,采用 Minitab 软件对弯管最大偏移 量 S 与充填倍线 N、充填管直径 D、质量浓度 c 的预测 模型进行数值分析,可得它们的关系式为 S ＝ 0.99 0.164N 0.330D 1.66c1 从弯管最大偏移量 S 与充填倍线 N、充填管直径 D、质量浓度 c 的试验结果可以发现相关性系数 R2＝84.9,调整后的 R2＝ 82.8,这两个值都表明弯 管最大偏移量 S 模型与试验数据拟合效果较好；方差 分析中的 P0.000＜0.05,显示此回归过程拟合模型在 α＝0.05 时具有显著统计意义。 因此,数据回归弯管最 大偏移量 S 模型成立,可用来较好地预测弯管最大偏 移量。 5.2 模型预测 设计了 3 组试验对上述模型进行验证,结果见 表 5。 从表 5 可以看出,弯管最大偏移量的预测计算 模型与试验模拟值相差不大,差率都在 2.5％以下,表 明建立的预测计算模型可以很好地预测弯管处最大偏 移量。 表 5 最大偏移量预测结果 ND/ mmc/ ％ S/ mm 理论值实际值 S 值差率 / ％ 41106539.039.20.57 41106839.140.02.36 41206542.343.32.16 41206842.442.91.17 21矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 6 实例分析 以充填倍线 4.0、充填管径 110 mm、质量浓度 65％ 进行了具体分析,速度云图见图 4。 由图 4 可以发现, 最大流速线偏移方向为由管道中心线向管道内下方,且 最大流速出现在转弯处偏下位置。 由图 4 还可以发现, 最大速度和最大偏移出现位置都在 P3附近。 图 4 速度云图 a 全管模型； b P1； c P2； d P3 7 结 论 1 流速最大处偏移不一定最大；弯管处每个位置 的最大流速关于三因素的变化趋势一致随着管径增 大而减小,随着质量浓度增大而增大,随充填倍线先增 大而减小；弯管处每个位置的偏移量关于充填倍线、充 填管径的变化趋势基本一致随管径增大而增大,基本 不随充填倍线改变；影响最大偏移量的敏感性、重要性 排序皆为充填管径＞充填倍线＞质量浓度,其中充填管 径为重要因素。 2 弯管最大偏移和最大流速出现位置随充填管 径增大而下移,随质量浓度增大而上移；弯管最大流速 出现位置随充填倍线增大而下移,充填倍线大于 4.5 时,弯管最大偏移位置随充填倍线增大而下移。 3 建立了反映 3 因素影响下弯管最大偏移量的 综合数学预测模型,并设计对其进行了验证,计算值与 试验值差率在 2.5％以下,证明了该预测模型有效。 这 为了解充填管道磨损情况提供了新思路。 参考文献 ［1］ 王新民,古德生,张钦礼. 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