多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性_甘德清.pdf
《多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性_甘德清.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多场耦合条件下充填料浆管输壁面滑移特性_甘德清.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、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,
2、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
3、,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(
4、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 pip
5、eline 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 in
6、itial 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 floccula
7、tion 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 criti
8、cal 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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:=(
17、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,阴影部分为实际计算区域。图 1 几何模型示意Fig.1 Schematic diagram of geometric model2.1 结果合理性分析数值模拟计算必须收敛才能得到有效的运算结果23。采用 C
18、omsol 进行计算时生成收敛曲线,如图2 所示。图中“步长倒数”指的是单位时间内求解器的计算次数,其与计算时发生的误差呈正相关。当某时段计算不奇异时,瞬态求解器会增加在该时段内计算的次数,也就是减小计算步长(增大步长倒数)。图 2 表明模型在前期计算过程中步长倒数增大运算频率升高,但是随着运算的持续进行,曲线总体上呈减小的趋势,计算过程中的不奇异次数在逐渐地减小。经过 60 80 次时间步的迭代后最终都趋于稳定,该曲线证明了本次模拟运算得出的结果是合理有效的。2.2 模型有效性分析根据相关文献中的参数进行模拟实验,参数如表1 所示。将数值模拟的结果与刘晓辉22的实测结果进行比较,见图 3。图
19、 3 表明数值模拟结果与实测数据误差在 10%以内,由于实测数据是考虑壁面滑移效应管道的输送阻力,说明多场耦合数值模型是可靠的,利用该模型分析得出的壁面滑移速度变化规律是合理的。图 2 瞬态求解器收敛图Fig.2 Transient solver convergence graph23总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期表 1 模型验证参数Table 1 Model verification parameters参数浓度/%模拟实验管径/mm管长/m管内温度/入口速度/(m/s)a47.5915026250.35、0.55、0.79、0.94b48.81、47.59、46.
20、1615026250.793 壁面滑移速度规律分析为了对壁面滑移的规律进行针对性的分析,减少其他因素对研究结果的影响,几何模型设定为 4 m 长的圆柱形管,通过数值模拟来分析初始温度、管径及浓度对壁面滑移速度的影响规律,试验方案见表 2。3.1 壁面滑移速度的提取图 4 为考虑壁面滑移效应的管内速度分布情况。图 3 模型计算结果Fig.3 Model calculation result表 2 数值模拟参数Table 1 Numerical simulation parameters参数浓度/%模拟实验管径/mm管内温度/初始速度/(m/s)数值60、65、7060、80、100、120、14
21、0、160、180、20020、30、40、50、60、701.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4由图 4(a)可以看出,当料浆以 1.5 m/s 的速度进入管道后,受到壁面剪切的作用,使得中部塞流区面积减小但是颜色逐渐加深,产生了较大的速度梯度,当经过一段时间的输送后管内料浆的流动状态趋于稳定;图 4(b)为沿管道走向均匀分布的 6 条管道径向速度分布图,可以明显地看出管道内料浆塞流区域减小其对应的速度不断增大,最大速度达到 1.82 m/s,模型边界处浆体流动速度不为 0,其值在 0.22 m/s左右。由于高浓度料浆在流动过程中在管壁处形成的图 4 管道内流速分布Fig.4 Flo
22、w velocity distribution in pipeline滑移流动层厚度极薄(一般小于 10 m)。为了对滑移层速度进行针对性分析,作一维曲线图,以“定义截线”的方法选取几何模型表层沿管道走向的速度数据见图 5。由图 5 可以看出,高浓度料浆原来的初始速度为1.5 m/s 进入管道后急速下降为0.217 m/s 此时输送距离为 0.22 m,随后滑移速度稳定在 0.19 0.22 m/s,我们称这个转折点为管内输送结构开始稳定的“触变平衡点”。本次对壁面滑移速度的研究主要图 5 管道壁面附近浆体流动速度Fig.5 Slurry flow velocity near the wall
23、 of the pipe33 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 期是选取“触变平衡点”后方区域(见图 5),通过数据查询手段得到其平均值,以表征在该条件下的壁面滑移速度(slip)。3.2 温度对滑移速度的影响规律图 6(a)为温度对壁面滑移速度的影响规律,不同温度条件下,均产生了明显的滑移速度。温度对滑移速度产生了较大的影响,随着温度的增大,壁面滑移速度呈增长的趋势,且增长速率越来越小。图 6(b)为受水化反应和摩擦生热(通过添加边界热源实现)影响时,管道 2 m 处浆体温度的增量。20 时壁面附近的温度增量为 0.11,随着初始温度的增大,极大地促进水泥
24、水化反应,增加了水化放热量,初始温度 70 时,温度增量达到最大值 0.32。高浓度料浆中的颗粒在管道输送过程中受到图 6 温度对壁面滑移速度的影响Fig.6 Effect of temperature on wall slip speed多种作用力的影响,“范德华力”是影响颗粒间黏附强度的主要因素,其属于近程力且对颗粒的接触后行为起主导作用。由于“范德华力”的作用,高浓度料浆中存在着大量的“絮网”结构,温度升高会加剧料浆内部颗粒的布朗运动,使得颗粒挣脱“范德华力”的束缚,破坏“絮网”结构,并促使其向黏性较低的“液网”结构转化24。温度越高,浆体的水化反应越充分,水化放热量越大,同时受到摩擦生
25、热的影响,导致 70时壁面附近浆体的温度增量达到最大值,结合前述分析得出,此时壁面附近浆体黏度与温度呈反比例关系,70 时滑移层黏度与主流区黏度的差值最大,此时滑移速度达到最大值。同时浆体内部的“絮网”数目是一定的,“絮网”向“液网”间的转换并不是无限制的,当超过一定温度时其转换效率降低,滑移速度的增长率减小。3.3 管径对滑移速度的影响规律图 7 为管径对滑移速度的影响规律。由图 7(a)可以看出,滑移速度(slip)在管径为 60 mm 时达到最大值 0.213 m/s,此后随着管径的增大,slip开始缓慢地下降。当管径增大到 180 mm 时,发现壁面附近的速度曲线断断续续,如图 7(b
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 耦合 条件下 充填 料浆管输壁面 滑移 特性 甘德
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。