水泥浆液长距离输送流动特性的数值模拟研究

2015-03-24张刚武黄康鑫郝明辉王天西

四川建筑 2015年6期

关键词：浆液流速黏度

张刚武，黄康鑫，曾健，郝明辉，王天西

(1. 中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611730；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065)

水泥浆液长距离输送流动特性的数值模拟研究

张刚武1，黄康鑫2，曾健1，郝明辉2，王天西1

(1. 中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611730；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065)

在管道输浆工程中，常常会关注水泥浆液在输浆管道内的速度和压力变化情况，因为它直接关系到管道的安全运行和运行的能耗。文章通过工程案例针对长距离输浆流动特性利用FLUENT进行数值模拟，分析管道长度、浆液黏度、输浆速度及管径对管道压力损失和流速的影响。分析结果表明：输浆管道内百米压降值为0.52～0.56 MPa，输送距离对压力损失影响较小；输送压力损失与水泥浆液黏度及流速之间呈线性关系，与经典流体力学关系相符；当输送流量、浆液黏度确定时，输送压力损失与管道直径之间呈幂函数关系。

长距离输浆; 流动特性; 数值模拟; 管道压力损失

固体物料的浆体管道输送是一种新兴的现代化运输方式，目前已被广泛应用于冶金、煤炭、化工、水利和环保等诸多工业领域[1]。水泥浆液作为一种典型的固体物料，研究浆液配比(黏度)、流速、管道直径等因素对压力损失情况的影响具有重要意义，因为它直接关系到泵送设备的选择和管道运行的安全。由于实验研究的复杂性和局限性，不可能对浆液输送的每个工况都进行试验研究，数值模拟方法已经在管道输送中得到了广泛的采用。邓代强等人[2]采用数值模拟方法分析不同浓度料浆在长距离管道中的流动压强、流速及偏转特性。姜小放等人[3]运用FLUENT流体动力学仿真软件对改进的三通管道进行了湍流模拟，验证了管道设计的合理性。王继红等人[4]采用的两相流理论模型与CFD模拟相结合的方式较为详尽地获得管道内固液两相流的各项信息参数。

随着计算机技术和计算流体力学的发展，液固两相流的数值模拟计算得到迅速的发展，其中FLUENT是目前处于世界领先地位的CFD(Camputatianal Fluid Dynamics)软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题[5]。本文结合锦屏二级水电站引水隧洞输浆系统，利用FLUENT软件对输浆管道在不同工况下进行数值模拟，重点分析管道压力损失的各种影响因素，以为管道输浆安全运行提供技术依据。

1 工程概况及软件简介

灌浆是确保锦屏二级水电站引水隧洞在深埋、高地应力和高外水压力下的稳定性的重要措施，但引水隧洞轴线长、需浆量大、输送浓度高以及洞内运输条件限制，水泥浆液的安全输送是灌浆工程的首要难题。水泥浆液为固-液两相流，其流变特性以及其在管道中的流体结构和运动机理极为复杂，充分掌握水泥浆液在输送管道内的流体力学规律对解决依托工程长距离、高压输浆管道的安全性问题至关重要。

FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于具有较大梯度的流动区域，FLUENT提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。该软件提供的湍流模型圈包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型及RSM模型和大涡模拟LES等。其中k-ε双方程模型已经被广泛地用在管内流动、边界层流动、剪切流动等的数值模拟中并获得了较大的成功[5]。其湍动能k方程和耗散率ε方程具体为[6]：

2 模型建立及参数设置

2.1 计算工况及参数选取

本文重点研究管道长度、浆液配比(黏度)、输送速度以及管道直径对水泥浆液输送过程中压力损失的影响，具体工况及参数设置为：

(1)在研究管道长度对浆液流态影响时，根据引水隧洞输浆工程的实际情况，近距离工况取50 m、300 m和500 m共三种长度，长距离输送工况取1 000 m、2 000 m和3 000 m共三种长度。水泥浆液参数与实际施工保持基本一致：密度取1 735 kg/m3，黏度取60 MPa·s(约相当于0.5添加1%的减水剂)，输浆管道直径为27 mm，输浆流速取2.5 m/s，输送能力为85 L/min。

(2)由于不同浆液配比对流态的影响主要体现在其具有不同的黏度，本文选取了40 mPa·s、60 mPa·s、80 mPa·s、100 mPa·s、130 mPa·s、150 mPa·s和200 mPa·s共7种不同黏度情况下的浆液流态、压力损失等，管道计算长度取500 m，直径为27 mm，流速取2.5 m/s。

(3)当管道直径确定时输送的流速与流量一一对应，因此有必要研究不同输送流速(流量)工况下水泥浆液在管道内的流动规律，本文研究计算了：0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s和3.5 m/s共7个流速工况。

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(4)研究管道直径对水泥浆液在管道内流速分布、压力损失等参数的影响时，管道直径根据相关规范选择常用的20 mm、25 mm、32 mm、40 mm和50 mm共5种，输浆流量定于80 L/min，水泥浆液黏度取60 mPa·s。

2.2 边界条件及网格划分

根据锦屏二级水泥浆液输送的实际情况，在研究中主要用到了速度入口和压力出口两种边界条件，现分别介绍如下：(1)水泥浆液的压缩性可以忽略不计，因此可以选用速度入口边界条件用于定义流速以及入口的流动属性相关标量；(2)水泥浆液出口处压力为大气压强且流速不高，所以可以采用压力出口边界条件，压力出口边界条件需要在出口边界处指定静压。

在FLUENT软件中使用ICEM CFD建模并生成网格，ICEM CFD提供了高级几何获取、网格生成、网格优化以及后处理工具，可满足CFD对网格划分的严格要求。由于水泥灌浆系统管路整体性比较好，故可直接进行网格划分，网格计算步长依具体工况而定。通过ICEM CFD生成的网格文件，可采用File/Read/Case命令导入FLUENT中，以进行后续计算分析。网格划分示意图如图1。

图1 ICEM CFD网格示意

3 计算结果及分析

3.1 管道长度对浆液流动规律的影响

50～3 000 m输浆距离下，所需输送压力、压力损失以及管道内的最大、最小流速见表1。

表1 不同输浆长度下计算结果汇总

在水泥浆液的输送工程中，我们较为关注的是输送的压力损失，输浆距离与百米距离压力损失关系如图2所示。当输送浆液为50 m时，管道输送的百米压力损失为0.66 MPa;输送距离为50～500 m时，管道输浆的百米压力损失为0.52 MPa;500 m以上，输浆管道的百米压力损失为0.55～0.56 MPa。在输送距离短于50 m时损失较大是由于浆液从平均流速向层流演化过程中，流态的紊动造成的。综上可知，当浆液的黏度、管径、流速确定时，输浆过程中的压力损失对输浆距离不敏感，百米长度压力损失为0.52～0.56 MPa。

图2 输送长度与单位压力损失关系

3.2 浆液黏度对浆液流动规律的影响

浆液黏度与百米长度压力损失关系如图3所示。当输送管道直径、流速确定时，输送压力损失与水泥浆液黏度之间呈线性关系，与经典流体力学关系相符。在管径27 mm、流速2.5 m/s时,该关系式为：y=6.9534x+0.1066，40～200 mPa·s的水泥浆液的输送百米压力损失介于0.36～1.48 MPa，该计算结果与现场实验测试压力损失基本相符。不同黏度下水泥浆输送参数见表2。

图3 浆液黏度对压力损失的影响

黏度/(Pa·s)流速/(m·s-1)百米压降/MPa最大流速/(m·s-1)最小流速/(m·s-1)0.042.50.363.10781.66690.062.50.522.96621.84620.082.50.673.05251.73270.102.50.813.11521.64710.132.51.023.16491.57590.152.51.152.98631.82150.202.51.482.99161.7900

3.3 流速对浆液流动规律的影响

输浆流速在0.5～3.5 m/s范围内时，水泥浆液在管道内的流动规律计算汇总表见表3。

表3 不同输浆流速时数值仿真计算成果

根据表3可绘制输浆流速与输送压力损失的关系(图4)。当输送管道直径、浆液黏度确定时，输送压力损失与水泥浆液流速之间呈线性关系，与经典流体力学关系相符。在管径27 mm、浆液黏度为60 mPa·s时,该关系式为：y=0.2108x。同时需注意，根据输浆试验时的观察，认为在输送管道水泥浆液呈拟均质流，在数值仿真计算中可不考虑水泥浆液的沉积性，但流速过低、输浆距离过长时仍需要考虑水泥颗粒的少量沉积。因此考虑沉积、管道磨损和压力损失等因素影响，建议水泥浆液的输送流速介于1.5～2.5 m/s之间。