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基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 邓代强 1 高永涛 1 杨耀亮 2 吴顺川 1 1 北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083 2 长沙矿山研究院,长沙410012 摘 要 为研究充填料浆流变性能,利用流体力学原理,通过L型管道自流输送实验对其在管道中流动的力学特性进行了分 析.结果表明料浆浓度、 流量和管径对料浆管输阻力和充填倍线大小的作用程度不同,其中料浆浓度影响尤为显著.在能够 实现自流输送的充填倍线合理条件下,采场充填时,当结合充填能力确定流量和管径后,可通过充填站调节制浆浓度以使充 填材料在管道输送、 采场中沉降、 抗离析、 脱排水、 固结硬化和力学性能等方面表现良好. 关键词 流变性能;管道输送;宾汉流体;剪切应力 分类号 TD82317 ; O373 Rheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydromechanics theory DENG Dai2qiang1, GAO Yong2tao1,YANG Yao2liang2, WU Shun2chuan1 1 School of Civil and Environmental Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2 Changsha Institute of Mining Research , Changsha 410012 , China ABSTRACT To study the rheological properties of filling slurry , using the principle of hydrodynamics , a gravity flow test through a L2shaped pipe was carried out and the mechanical properties of slurry flow in the pipe was analyzed. The results indicated that the flow resistance and filling rate were depended on slurry concentration , flow rate and pipe diameter , among which slurry concentration was the predominant influencing factor. Under the condition of reasonable filling rates at which the gravity flow of slurry can be achieved , after determining the flow rate and pipe diameter based on filling ability , the slurry concentration can be adjusted in the fill2 ing station to obtain excellent results in transportation , sedimentation , anti2eduction , dehydration and drainage , concretion and me2 chanical properties. KEY WORDS rheological properties; pipeline transportation; Bingham fluids; shear stress 收稿日期 2009 - 01 - 07 作者简介邓代强1974 , 男,博士研究生;高永涛1962 , 男,教授,博士生导师,E2mail gaoyongt vip. 在矿业、 化工、 发电、 石油和水利等诸多工业领 域都涉及浆体的管道输送问题,对它的研究一直广 受重视.对于牛顿流体,文献[1- 3]在理论分析和工 程应用方面做了许多有益工作;文献[4- 6]对固液 两相流的流变学应用做了详细研究,为解决实际问 题进行了深入分析;对于固体物料的浆体输送,文 献[7- 13]对非牛顿流体输送特性在各工业领域的 应用做了大量研究与探讨,并且也有相关研究涉及 矿山充填.鉴于资源的高回收率、 处理空区、 控制地 压、 开采安全、 经济及环境效益显著等优点[12- 15],在 国内外矿山开采中充填法倍受青睐.充填法开采是 复杂的系统工程,通常受采充平衡、 系统工况、 料浆 输送、 供料调节、 管网布设和自动控制等多因素制 约.管输性能是衡量充填料浆的重要指标,当充填 材料选定后,需对其输送性能进行研究,通过相关流 变参数来掌握其阻力损失情况. 高浓度全尾砂料浆的流变特性及其测量在充填 工艺中具有重要作用,是充填管网布设和生产必不 可少的检验手段.当固体粉料的浆体达到一定浓 度,由于具有了相关流变力学性质,研究中通常可把 其视为宾汉流体,以宾汉流体的流变特性及其检测 方法开展研究,应用相关数学表达式进行流动特性 的定性和定量描述分析[7- 13].矿山充填中,鉴于高 浓度充填料浆的性质,可将其作为宾汉流体来研究, 第31卷 第11期 2009年11月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol. 31 No. 11 Nov. 2009 通过较系统的实验及理论分析,得出输送性能指标, 为充填站确定料浆制备参数及井下输浆管网布设提 供依据.流变特性及输送性能是充填理论流变学的 重要研究方向,对充填系统高浓度料浆管道输送至 关重要,其研究成果对于指导矿山生产实践具有重 要现实意义. 1 流变参数测定理论基础 高浓度充填料浆的流变性能不同于固液两相流 和牛顿流体.对于矿山及类似工程应用研究[7- 13], 通常用宾汉流体来描述高浓度充填料浆的流变特 性,即流体具有一定初始抗剪切变形能力,沿管道流 动时其产生的摩擦阻力可表示为 ττ0ηd v dr 1 式中,τ为管壁剪切应力,Pa;τ0为初始剪切应力, Pa;η为黏性系数,Pas;dv/dr为剪切速率,s - 1. 管道内近端和远端之间有压差条件下,宾汉流 体沿管道流动的受力分析见图1. 图1 宾汉流体管流受力分析 Fig. 1 Force analysis of Bingham fluids in a pipeline 取压差为dp、 长度为dl及半径为r的圆柱体 浆料微元,其受力方程为 p d p πr2pπr2 τ 2πrdl2 化简得 τ dp r 2dl 3 由方程1、3得 dv dr 1 η dpr 2dl -τ04 对r定积分,边界条件为rR , V 0,可求得流速 在管内的分布函数为 V 1 η 1 4 dp dl R 2 -r2-τ0 R - r 5 式中,dp为流体两端压差,MPa; R为管道半径,m, V为料浆流速,ms - 1. 从上述式中可知管内流体剪切应力及剪切速率 随r变化当r 0,即在管道中心,剪切速率最大, 剪切应力最小;当rR ,即贴近管壁,剪切应力最 大,剪切速率为零.令式4中dv/dr 0,可得r临 界值 r0 2τ0 dp dl - 1 2τ0 i 6 式中, i为 单 位 长 度 管 压 损 失,即 输 送 阻 力, Pam - 1. 宾汉流体在整个管道中的流速分布与管径有 关当Rr0时,只在管中心产生柱塞流;而当R≤ r0时,则流速在整个管内均匀分布,形成满柱塞流. 由于宾汉流体存在屈服剪切应力τ0,浆料中固粒难 于沉降,不易离析,故柱塞流内质点不产生相对运动 和质点交换,从而可减少输送内摩擦损失.在接近 管壁润滑层的作用下流体整体滑移,管输阻力显著 降低,料浆性态稳定,输送时管流通畅、 不堵管. 流动阻力计算中,由宾汉流体切应力与切变率 关系可推导出白金汉方程 8V D τ η 1 - 4 3 τ0 τ 1 3 τ0 τ 4 7 通常τ0/τ的四次幂作为高阶小量舍去,从而 得出近似管壁剪切应力 τ 4 3τ 0 8 V Dη 8 式中, D为管道直径,m. 在研究充填料浆流变性能时,按下式计算料浆 屈服剪切应力和黏性系数 τ0 γ h0D 4 h 0 L 9 η 3τ- 4τ0D 24V 10 式中,γ为浆密度,tm - 3 ; V为料浆流速,ms - 1 ; h0 为静料柱高,m; L为水平段管长,m;τ0为剪切应 力,Pa;η为黏性系数,Pas. 计算出所需相关参数后,可由下式求出管道单 位长度流动阻力损失 i 16τ0 3D 32ηV D2 11 根据能量守恒定律,矿山实际充填自流输送管 网垂高总和为H ,水平段总长为L的管路,其受力 平衡分析为 γHi H L ∑ n i 1 ξi γ V 2 2g γV 2 2g 12 式中,势能γH与沿程摩阻损失i H L 、 局部阻 力 ∑ n i 1 ξi[γV 2 2 g - 1 ]和出口损失 γV 2 2 g - 1之和保持动态平衡. 为便于计算,工程中通 常将局部阻力与出口损失之和按管道沿程阻力的 15 计,则 1831 第11期邓代强等基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 γH 1115i H L 13 形式变换为 HL H γ 1115i 14 比值 H L / H为充填倍线,是用以衡量系统 充填能力和料浆输送综合阻力的重要指标.根据上 述公式可计算出不同料浆浓度、 流量及管径时可实 现自流输送的允许充填倍线. 2 充填料浆输送流变性能实验及分析 211 实验设施与条件 充填材料的选别通常以其料浆输送性能实验为 基础,以确定其合理的流动参数.本实验材料为不 加水泥的全尾砂浆,根据能量守恒定律,采用L型 管道对其进行流变参数测定及理论分析计算. 212 流变参数测定 全尾砂料浆能否顺利实现管道自流输送与其粒 级分布、 浓度、 流量、 流速、 管径及材质、 管网布置等 多因素有关.为研究料浆输送性能,在实验室进行 了全尾砂充填料浆自流输送实验.将实测参数代入 相关公式,求得不同浓度料浆的流变参数见表1. 由实测流变参数可计算出工业生产中不同料浆 浓度、 流量及输送管径时的输送阻力及允许充填倍 线.其中料浆流速V可按下式计算,几种管径及流 量的流速对照数据见表2. VQ/3 600 π 4 D215 式中, Q为料浆流量,m3h - 1. 表1 全尾砂浆流动性参数测定值 Table 1 Testing data of full tailings slurry’s flowing properties 质量 分数/ 坍落度/ mm 料浆密度, γ / tm- 3 静料柱高, h0/m 料浆流速, V/ ms- 1 剪切应力, τ0/Pa 黏性系数, η/ Pa s 70267119101062153719501227 722501196011111231416101524 742352101011901042510117141 762152107013301024210424179 表2 不同流量及管径时料浆流速 Table 2 Flow velocity of slurry at different pipe diameters and fluxes ms- 1 料浆流量/ m3h- 1 管径/mm 8090100110125140150 402121211747114151117019060172201629 5021765211841176911462 111320190301786 6031317216212112311755 113591108301944 703187310582147721047 115851126411101 8041423314952183121340 118121144411258 9041976319323118521674 210381162511415 10051529413693153921971 212651180511573 213 实验结果分析 由实验数据计算出全尾砂浆输送阻力及允许充 填倍线,分析后得到不同浓度料浆输送阻力及允许 充填倍线随流量和管径的变化规律.不同浓度料浆 输送阻力随流量和管径的变化见图2. 从图2可看出对于相同流量的料浆,随管径增 大,各浓度全尾砂料浆单位长度管输阻力损失逐渐 减小;对于相同的管径,料浆流量越大,管输阻力越 大.从各图综合情况来看,料浆浓度增大,输送阻力 也随之大幅增加. 根据充填料浆输送阻力计算得到允许充填倍 线.当充填倍线计算值不大于1时,此值就失去其 物理含义,故舍之.实验数据处理中发现质量分数 76 的料浆在本研究所选定的流量和管径下无合理 的充 填 倍 线;质 量 分 数74 的 料 浆 当 流 量 为 40 m3h - 1、 管径为 150 mm时仅具有合理充填倍线 值1104;当质量分数降低为72 和70 时,充填倍 线值均能够合理通过,其随流量和管径的变化见 图3. 从图3可看出对于相同流量的料浆,随管径增 大,各浓度全尾砂料浆充填倍线逐渐增大;对于相同 的管径,料浆流量越大,充填倍线越小.从各图综合 情况来看,料浆浓度增大,输送阻力的增大导致充填 倍线减小,即充填料浆所能到达的范围减小了. 进一步细化流变参数测定数据可看出对于浓 度较高的料浆,其单位体积内尾砂颗粒多,总体比表 面积大,表观流动性减弱,从而增大了浆体附着于管 壁的黏着力,造成管输阻力增加;当浓度降低时表观 流动性改善,管输阻力随之减小.因此,图2和图3 所反映的内在物理实质是管壁阻力与比表面积之间 关系的变化,即浓度高,浆体中固体颗粒比表面积 大,管输阻力增加,浆体流动范围减小. 2831 北 京 科 技 大 学 学 报第31卷 图2 不同浓度料浆输送阻力随流量和管径变化.质量分数a 70 ; b 72 ; c 74 ; d 76 Fig. 2 Change of slurry’s transportation resistance with pipeline diameter and flux. Its mass fraction is a 70 , b 72 , c 74 , and d 76 , respectively 图3 料浆允许充填倍线随管径和流量变化.质量分数a 70 ; b 72 Fig. 3 Change of slurry’s flow rate with pipeline diameter and flux. Its mass fraction is a 70 and b 72 , respectively 3 结语 1料浆浓度、 流量和管径对料浆管输阻力和 充填倍线具有不同程度的影响,其中料浆浓度因素 尤为显著.在能够实现自流输送的充填倍线合理条 件下,采场充填时,当结合充填能力确定流量和管径 后,可通过调节充填站制浆浓度的方法来使充填材 料在管道输送、 采场中沉降、 抗离析、 脱排水、 固结硬 化和力学性能等方面表现良好. 2适量的微细颗粒有利于料浆保水,使之不 易离析且可在管壁四周形成泥质圈层,从而起到润 滑管壁的作用.料浆浓度越高其屈服剪切应力τ0 越大,黏塑性和抗离析能力越强.黏性系数η与料 浆浓度、 粒度分布、 比表面积和颗粒形状等因素有 关,料浆浓度越低其管输阻力越小,充填倍线越大, 可通过自流输送到达的区域范围增大. 3输送阻力i取决于料浆流变参数τ0、 η、 流 速V及管径D ,其最优组合可通过充填料选材和浓 度调节控制,料浆须具备良好的和易性、 黏聚性和保 水性才不致产生明显分层和泌水离析,从而确保获 得良好的输送效果.本研究中充填料浆质量分数为 70 ～72 时流动性较好,未产生离析和堵管,最终 形成的充填体整体性良好,强度均匀稳定.这点已 在实际生产中得到验证. 参 考 文 献 [1] Xiao S X, Gao Z M , Huang XB. Experimental study and numer2 ical simulation of new a modified Ross static mixer.Chin J Pro2 3831 第11期邓代强等基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 cess Eng, 2006 , 61 6 肖世新,高正明,黄雄斌.改进型Ross静态混合器牛顿流体流 动的实验与数值模拟.过程工程学报, 2006 , 61 6 [2] Jiang S Q.The study of eccentric annular clearance Reynolds number and laminar flow area equation under Newtonian fluid condition.China Offshore Oil Gas, 2007 ,196 398 蒋世全.牛顿流体条件下偏心环空间隙雷诺数及层流区域方 程研究.中国海上油气, 2007 ,196 398 [3] He C C , Zhang C.Flow law on turbulent2power law laminar stratified flow in rotund pipes.Nat Gas Oil, 2008 ,265 17 贺成才,张聪.牛顿流体紊流-幂律流体层流的圆管分层流动 规律.天然气与石油,2008 ,265 17 [4] Wang Z Y, Fu X Z, Wang Y, et al. Numerical simulation of sol2 id2liquid flow of Yangtze River water in a semi2annulus reentry tube.J Chongqing Univ, 2008 ,3112 1410 王子云,付祥钊,王勇,等.半圆环折返管内长江水固液两相流 的数值模拟.重庆大学学报, 2008 , 3112 1410 [5] Ren L Z, Shi J G, Zhang Q , et al. Research on applying solid2 fluid double phase theory to water coal slurry nozzle.Coal Mine Mach, 2006 ,277 173 任兰柱,师建国,张强,等.固液两相流理论在水煤浆喷嘴上的 应用研究.煤矿机械,2006 ,277 173 [6] Zhao Z N , Hao R , Wang L. Analyses of physical mechanism and numerical simulation for micro2convection enhancement the solid2 liquid two phase flow.J Eng Thermophys, 2005 , 264 656 赵镇南,郝睿,王利.固液两相流中微对流强化的机理分析与 数值模拟.工程热物理学报, 2005 , 264 656 [7] Cheng C J , Li B , Zhao H W. Application and development of rheology.Contemp Chem Ind, 2008 , 372 221 陈朝俊,李斌,赵宏伟.流变学的应用与发展.当代化工,2008 , 372 221 [8] Fei XJ.Transportation Hydraulics of Slurry and Grainy Mate2 rial. Beijing Tsinghua University Press , 1994 费祥俊.浆体与粒状物料输送水力学.北京清华大学出版社, 1994 [9] Boylu F , Dincer H , Atesok G. Effect of coal particle size distribu2 tion , volume fraction and rank on the rheology of coal2water slur2 ries.Fuel Process Technol, 2004 , 85 241 [10] Marn J , Ternik P. Laminar flow of shear2thickening fluid in a 90pipe bend.Fluid Dyn Res, 2006 , 38 295 [11] Yang X Z, Wang X H , Lei J S. Study on grouting diffusion ra2 dius of Bingham fluids.J Hydraul Eng, 20046 1 杨秀竹,王星华,雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应 用.水利学报,20046 1 [12] Xu Y H , Xu X Q. Rheologic behavior of high2density backfill and reasonable determination of the parameters for it’s gravity2 flow transport.Min Metall, 20043 16 许毓海,许新启.高浓度膏体充填流变特性及自流输送参 数的合理确定.矿冶, 20043 16 [13] Newman P D , Pine R J , Ross Kevin. The optimization of high density backfill at the Stratoni Operations , Greece∥Proceedings of the7th International Symposium on Mining with Backfill. Washington Seattle , 2001 273 [14] Cai M F , Li C L , Xie M W , et al. Subsidence prediction and surface deation monitoring and analysis in Beiminghe Iron Mine , China.J Univ Sci Technol Beijing, 2008 , 302 109 蔡美峰,李春雷,谢谟文,等.北 河铁矿开采沉陷预计及地 表变形监测与分析.北京科技大学学报,2008 , 302 109 [15] Yang C X, Luo Z Q , Hu GB , et al. Application of a microseis2 mic monitoring system in deep mining.J Univ Sci Technol Bei2 jing, 2007 , 141 6 4831 北 京 科 技 大 学 学 报第31卷