（采矿工程专业论文）红土矿管道输送参数优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 管道水力输送以其占地少、自动化程度高、不污染环境、运输费用低等一 系列优点，在国内外大型矿山中得到越来越广泛的应用。作者结合我国在国外 投资兴建的大型红土矿山项目，运用管道水力输送、优化方法等相关理论对红 土矿管道输送工艺参数进行分析和优化，主要工作和成果如下： ( 1 ) 矿浆特性实验，包括比重实验，粒度分析实验和流变实验。通过对大量 流变数据的分析，回归出矿浆粘度随浓度变化公式。 ( 2 ) 以实验所得数据作为参数输入到基于v b 编程开发的管道输送参数优 化系统中，优化分析出最佳输送工艺参数。 ( 3 ) 以实验数据和优化所得的工艺参数为基础，结合f l u e n t 流体模拟软件进 行管路细部结构的优化，确定管道建设的最小弯曲半径作为施工指导。 在以上的工作进程中时刻体现着优化的思想，并将数值模拟引入到管道输 送优化过程中，为管道水力输送设计提供了新的方法和手段。 关键词：管道输送两相流流变实验v i s u a lb a s i c 参数优化f l u e n t 数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i p e l i n eh y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nm o r ew i d e l yu s e di nl a r g e - s c a l e m i n e si nt h ew o r l db e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s o v e r t r u c k i n g a n dr a i lr o a d t r a n s p o r t a t i o n a m o n gt h ea d v a n t a g e sa r en 0p o l l u t i o n , l e s sl a n da c q u i s i t i o n , h i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n , a n dl o w e ro p e r a t i n gc o s t s u s i n gal a r g e - s c a l eo v e r s e al a t e r i t e m i n i n gp r o j e c ti n v e s t e db yc h i n a 弱t h es t u d ys u b j e c t ，t h ea u t h o ra p p l i e st h et h e o r i e s o fp i p e l i n eh y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o n , o p t i m i z a t i o na n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nt ot h e l a t e r i t es l u r r yp i p e l i n ep r o c e s sa n a l y s i sa n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 1 1 1 em a j o r w o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r e 笛f o l l o w s ： ( 1 ) s l u r r yl a b o r a t o r yt e s t ，i n c l u d i n gs p e c i f i cg r a v i t yt e s t ，p a r t i c l es i z ea n a l y s i s a n dr h c o l o g yt e s t b yr e g r e s s i n ga n a l y s i so fal a r g ea m o u n to fr h c o l o g i c a ld a t a , a l l e m p i r i c a l c o r r e l a t i o nb e t w e e ns l u r r yv i s c o s i t ya n dw e i g h tc o n c e n t r a t i o ni s e s t a b l i s h e d ( 2 ) t h et e s td a t aa r ei n p u tt op i p e l i n ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ns y s t e mb a s e do n v bp r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n t , a n do p t i m i z i n gt h eh y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o np r o c e s s p a r a m e t e r s ( 3 ) b a s e do nt e s td a t aa n do p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dw i t hh e l po ff l u e n t , f l u i ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo fp i p e l i n ei so p t i m i z e da n dt h e m i n i m u mb e n dr a d i u so fp i p e l i n ei sd e t e r m i n e da sac o n s t r u c t i o ng u i d e o p t i m i z a t i o ni sk e p ti nm i n dd u r i n gt h e 洲y t i l ei n t r o d u c t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt ot h ep r o c e s so p t i m i z a t i o no fp i p e l i n ep r o v i d e san e wm e t h o da n dm e a n s f o rp i p e l i n eh y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n , t w o p h a s ef l o w , r h e o l o g yt e s t , v i s u a lb a s i c p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , f l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ： 日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的依据和意义 第1 章绪论 我国交通运输紧张，燃料和原材料等大宗物料的运输问题制约着能源和矿 山建设。我国金属及非金属矿产资源十分丰富，但多数分布在交通不便的山区， 离交通干线较远。新建铁路、公路等运输干线往往投资较大，建设时间长，而 且要多占用日益减少的珍贵土地和增加对环境的压力。因此，我国发展固体物 料的水力运输，作为对现有运输体系的补充，有更重要的意义【l 】。 管道水力输送是一种以液体( 通常为水) 为载体通过封闭管道输送固体物料 的输送方式由于该方式具有效率高、成本低、占地少、无污染、安全可靠和可 合理配置等优点【2 】，逐步成为矿山矿石外运最为经济的途径。矿浆管道输送系 统的工作状态由矿浆管道系统的输送浓度、矿浆流速、浆体的流动性态和管径 决定。管道输送系统工作的稳定性和可靠性直接影响到矿山生产的安全和生产 能力，是我国大型矿山的重大核心技术。 本文以管道水力输送理论为基础，根据我国在国外投资一大型红土矿山项 目实际情况和矿样的流变特性，结合v b 编程开发出管道输送参数优化软件， 并运用著名的三维计算流体动力学和传热学分析软件f l u e n t ，模拟分析管道输 送系统不同弯曲半径管道在满管流条件下管道输送系统的压力、流量和速度等 重要技术参数。对比分析不同弯曲半径下的管道工作性能，求取最优的弯曲半 径。 当前国内管道水力系统的设计和管道运行特征参数的确定，都是通过类比 法、经验公式、工程经验、及相关实验来完成，因而造成管道输送系统从设计 到现场工业实验到最终稳定运行需耗费大量的人力、物力、财力和时间。开发 利用参数优化软件，通过计算机模拟与分析，可以克服上述不足。所以，本研 究成果不仅丰富和提高了两相流管道输送理论的研究，也为管道水力输送系统 的设计及系统运行的可视化奠定了重要的基础。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 管道水力输送技术 管道水力输送的根本技术问题是在固体物料输送量、输送距离和高差一定 时，依照浆体流动理论，选择适当的管径、浓度、流速和输送量，使系统达到 运行可靠、经济效果好的目的。管道水力输送按工艺环节在矿山上的应用主要 有两个方面：矿山充填、长距离矿浆管道。 矿山充填 充填采矿法在国内外金属矿山的应用历史悠久。从人类开始从事地下采矿 时，就创造了将采掘的废石充入采空区的采矿方法。随着采矿技术的发展，机 械化充填采矿法已得到日益广泛的应用【3 】。8 0 年代以前，国外矿山使用的基本 上是传统的管路水力输送系统。该系统突出优点是料浆输送借助重力进行，费 用较低：系统配置较为简单，机械化和自动化程度较高，充填能力较大；此外，系 统构成较灵活，不同的矿山对此只要稍加改变即可变换使用冲积砂、炉渣等其 他粗颗粒的骨料进行大规模的采后充填，这些优点使管路水力输送系统得到最 广泛地应用。1 9 9 7 年8 月澳大利亚建成的大型矿山卡宁顿( c a n n i n g t o n ) 矿，采用 了膏体自流输送充填系统。该矿采用的两段搅拌膏体制备系统，由圆形浓密机 供给的全尾砂经一段搅拌制备成膏体，再送至活化搅拌器；同时，从水泥仓来的 干水泥经暂存仓也送入活化搅拌器，加水进行活化搅拌以制备成膏体胶结充填 料。然后，自流输送到井下采场。膏体自流输送充填工艺已逐步成为大型充填 法矿山采用的新技术。 我国是世界上使用水力充填( 或称水砂充填、湿式充填) 最早的国家之一。 我国充填技术的发展经历了3 个阶段，即5 0 年代干式充填，6 0 7 0 年代以戈壁 集料为骨料的混凝土胶结充填和以河砂或分级尾砂等细粒级物料的水砂充填， 8 0 年代以后发展为全尾砂高浓度胶结充填、高水速凝全尾砂固化胶结充填和块 石胶结充填。9 0 年代末还实验了高浓度胶结充填管道自流输送工艺，取得了较 好的经济效益，并逐步应用推广。 长距离矿浆管道 自5 0 年代以来，国内外管道水力输送技术发展迅速，且逐渐从短距离、低 浓度向长距离、大管径、高浓度和大运量方向发展，据不完全统计 5 - 7 l ，世界上 2 武汉理工大学硕士学位论文 已有二十多个国家，建成近百条长距离浆体运送管道，总长度近4 0 0 0 k m 。其中 最著名的有1 9 7 0 年美国建成的b l a c km e s a 输煤管道，全长4 4 0 k m ，年输煤 4 8 m t ；1 9 7 7 年巴西建成的世界上规模最大的s a m a r e 铁精矿管道，长4 1 0 k m ，管 径达5 0 8 m m ，年输送能力为1 2 m t 。此外，澳大利亚、美国、加拿大和南非等 国正在建成或拟建长达几千公里的浆体输送管道。我国的管道水力输送技术近 二十年来也有很大发展，目前己建成数条具有相当规模的长距离浆体输送管道， 如贵州瓮福4 6 5 k m 磷精矿输送管道、山西尖山1 0 2 k i n 铁精矿输送管道等【4 】。就 在2 0 0 7 年，昆钢大红山年产4 0 0 万吨1 7 0 k m 铁精矿输送管道全线贯通，在国 内影响深远。另外，规划设计中的孟一潍一青大型输煤管道，全长达7 1 3 k m ， 管径5 5 9 m m ，年输煤量达7 m t 。此次在建的红土矿项目管线长度约1 3 5 k m 。表 l l 列出几个国内外具有代表性的长输管线。 表1 1 国内外长输管线工程实例 1 2 2 水力输送实验技术 水力输送的主要研究手段之一是实验手段。主要思路是利用固液两相流动 模拟实验技术获得流型产生、发展、转换的各种条件，从中归纳出流型的形成 和变化规律。 水力输送实验技术与其他多相流实验技术一样，由于流体流动特性的复杂 多变，因而难度极大。为此，国内外研究人员作了巨大努力，涉及的技术门类 极其广泛。 目前国内外在固液两相流实验技术及参数测量中采用的路线大体可分为以 3 武汉理工大学硕士学位论文 下三大类【8 】： 一是采用传统的单相流仪表与多相流参数测量模型组合的测量方法。因为 传统的单相流仪表不仅工作可靠，而且被许多应用者所熟悉，再根据被测对象 的工况配以合适的测量模型，能在一定的精度范围内解决许多固液两相流实验 和参数的测量问题。例如，根据两相流的流动特性，基于分相流模型和均相流 模型建立流量检测模型，或基于压力降脉动噪声建立的流量测量模型，可以利 用传统的孔板差压流量计来进行两相流流量的测量。又如在单相流中广泛采用 的光学、电学、热学等传感器，经过改造也广泛应用于固液两相流的测试系统 中再如采用多传感器组合，进行固液两相流的多参数测量。这些方法取用信 号少，测量装置一般比较简单可靠，因而具有很大的工程应用价值。因而如何 将成熟的单相流实验技术和参数测量仪表更可靠、更广泛的应用于固液两相流 测量中将是一个重要的研究方向。 二是采用近代新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、超声技术、 相关技术、过程层析成像技术等。基于射线吸收和散射原理的仪表是多相流组 分的重要测试手段，国外在此领域的技术已趋成熟，形成了商品化的工业仪表； 激光多普勒技术由于具有非接触方式、空间分辨率高、动态响应快、方向性好 和测速范围宽等特点，得到了很大的发展，特别是相位多普勒技术不仅能测量 气泡相的速度，还能得到尺寸分布和流量信息，应用更为广泛。由于过程层析 成像技术具有能得到两相流动态图像的诱人特点，在过去的十多年得到迅速发 展。随着计算机技术的发展，应用过程层析成像技术，非接触地、实时地获得 两相流的二维三维信息是重要的发展趋势。 三是在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技 术的测量方法。把现代信息处理方法如状态估计，过程参数辨识，人工神经网 络，模式识别等引入到固液两相流实验技术和参数测试领域，通过这些方法解 决具有复杂性、随机性、且很难用数学模型精确描述的两相流实验技术中所涉 及的参数测量问题。 1 2 3 数值模拟技术 数值模拟技术是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁。对于管道里的浆液 流动一般认为是平推流，在管道设计时，一般依据经验公式计算所需要的流动 4 武汉理工大学硕士学位论文 速度。随着对管道内浆液流动性能要求的逐渐提高，传统上依据经验公式进行 设计的方法已不能满足要求。若希望能真实、详细地描述管道内液固两相的空 间分布，就需要建立合适的数学模型描述管道内液固两相分布。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，基于 守恒定律建立的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍动能方程等组 成液固两相流的多种数学模型，如单流体模型、颗粒轨道模型、颗粒随机轨道 模型、多流体模型等【9 】已广泛运用于液固两相流数值模拟计算，且取得较为满 意的结果。尤其是近l o 年来，在考虑颗粒与颗粒之间、颗粒与流体之间相互作 用的模型研究方面取得了一些明显的进展，主要有两类模型：k u o 等人【lo 】提出 的以离散单元法( d i s c r e t e e l e m e n tm o d e l ，d e m ) 为基础的e u l e r - l a n g r i 觚模型和 g i d a s p o w t l l 】提出的以颗粒动力学为基础的e u l e r - e u l e r 模型。以d e m 为基础的 e u l e r - l a n g r i a l l 模型对于计算颗粒的数量受到现有计算机计算能力的限制，难 以用于模拟大型的工业设备；以颗粒动力学为基础的e u l e r - e u l e l 模型则将颗粒 相处理为连续相，模拟计算量大为减少，可很好地用于模拟工业设备，因此得 到了广泛的应用【l ”】。 l i n g 等人【1 4 】采用简化的混合模型讨论了管道内浆液输送中的一些重要参 数，如液固两相体积分数分布、浆液密度分布、浆液流动速度以及液固之间的 滑移速度。但由于其只对混合相建立动量守恒方程，液固两相之间的滑移速度 采用代数经验公式，而且对于固体颗粒相的黏度采用经验数据，这样使得模型 的适用性和模型的准确程度受到一定的限制。 1 3 研究内容和方法 矿浆管道设计涉及的参数很多，包括输送浓度、管径、流速等，而这些参 数都是以矿浆的流变特性为基础的，因此，本文从以下几方面开始着手： ( 1 ) 矿浆特性实验，包括比重实验、粒度分析实验和流变实验。通过各种实 验确定矿浆流变特性参数，回归出矿浆粘度随浓度变化公式。 ( 2 ) 以实验所得数据作为参数输入到基于v b 编程开发的管道输送参数优 化系统中，优化分析出最佳输送工艺参数。 ( 3 ) 以实验数据和优化所得的工艺参数为基础，结合f l u e n t 流体数值模拟软 件进行管路细部结构的优化，确定管道建设的最小弯曲半径作为施工指导。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章管道水力输送的基本理论和主要参数 管道水力输送是将固体物料制成浆体或膏体，在重力或外加力的作用下输 送，输送距离从几十米到数百公里不等，具有效率高、成本低、占地少、无污 染、不受地形、季节和气候影响等特点。近2 0 年来，我国浆体管道输送的试验 研究特别是高浓度料浆管道输送工艺技术，已达到国际先进水平。随着短距离 ( 矿山充填) 与长距离浆体管道输送技术的集成和发展，浆体管道输送理论亦得 到发展并日渐成熟。本章就此简要介绍一下管道水力输送的基本理论和主要参 数。 2 1 流变模型 现有的研究表明：深入分析和掌握高浓度浆体的流变特性，对深入了解高浓 度料浆在管道中的运动状态和变化的特点，指导矿浆管道工程系统设计和工业 生产，调节输送浓度，确定管道输送参数，加强矿浆管道系统动态管理等具有 十分现实的意义。通常浆体在剪切力的作用下，其切变率和切应力间的关系简 称为流变模型【i 】。我们把切变率与切应力呈线性关系的流变模型的浆体称为牛 顿体；把切变率与切应力呈非线性关系的浆体成为非牛顿体。下面分别讨论不 同流变模型的流变特性。图2 1 为几种典型的流变模型。 穴 氇 盛 多一_ 图2 - 1 浆体切变率和切应力关系图 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 牛顿体 当浆体浓度不高时，其切变率与切应力的关系为通过坐标轴原点的直线， 如图2 1 中虚线所画，这种流变模型的浆体即为牛顿体，其切变率与切应力关 系的斜率，是表征牛顿体流变特性的一个特征参数，称为粘性系数。流变关系 可用下式表示： f：“du(2-1) 咖 式中f 切应力，p a ： 动力粘性系数，p a s ； d 吖d r 剪切速率，s 。 从等式( 2 一1 ) 可见，对于牛顿体，其粘性可用参数表达即可。 2 1 2 非牛顿体 当浆体浓度较高时，尤其是细颗粒含量较高时，切变率与切应力的关系表 现出非线性的特点。这种流变模型的浆体即为非牛顿体。根据流变特性的不同， 非牛顿体又分宾汉塑性体( 简称宾汉体) 、伪塑性体、膨胀体和具有屈服应力的 伪塑性体等几种流变模型。 ( 1 ) 宾汉塑性体 其流变曲线如图2 1 的( 1 ) 线所示，为一条在切应力轴上有一截距fo 的直 线，r 。称为屈服应力，切应力只有超过这一屈服应力时，浆体才开始流动其流 变关系为： f ：靠+ 刁坐( 2 - - 2 ) 。 。方 式中 fo r 一屈服应力，p a ； ，7 刚度系数或塑性粘度系数，p a s ； 其他符号同上。 从等式( 2 - 2 ) 可见，对于宾汉塑性体，其流变特性需要f 。和，7 这样两个参 数描述。r l 为图2 1 中( 1 ) 线的斜率。 屈服应力f 。产生的原因是：含有粘性细颗粒的浆体，由于其细颗粒在水中 受到物理化学作用形成絮团，絮团发育成长互相搭接形成网状结构，或称絮网， 这种絮网具有一定的抗剪能力，这便是屈服应力。屈服应力的大小与细颗粒的 7 武汉理工大学硕士学位论文 含量有密切关系。 既然屈服应力产生的原因是粘性细颗粒形成絮网结构而引起，因此存在一 个出现屈服应力的浆体的最低浓度，浆体的浓度只要大于这一最低浓度，就存 在屈服应力，我们把浆体的这一最低浓度称为临界浓度。临界浓度的大小与细 颗粒的粒径及细颗粒的含量密切相关，颗粒愈细或含量越多，出现屈服应力的 浓度也越低。另外，浆体的屈服应力还与粘性颗粒的矿物成分有关。屈服应力 要通过流变试验，并使浆体处于层流流动条件下求得。 ( 2 ) 伪塑性体 伪塑性体的流变曲线如图2 1 中的( 2 ) 线所示，为一条通过原点的下凹型 曲线，其流变关系为： f ：k f 坐1 刀 l 。 ( 4 ) 具有屈服应力的伪塑性体 具有屈服应力的伪塑性体的流变曲线如图2 一l 中的( 4 ) 线所示，为一条在 切应力轴上截距为0 的下凹型曲线。其流变关系可用下式表达： 弘”k 从l ( 2 - 4 ) 式中符号意义同上。这里有三个参数，即、k 和订描述其特性。 应该指出，上述流变模型并非包括所有非牛顿体流变特性，仅为比较典型 的流变模型。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 固液两相流的管流特性 固液两相流管道输送过程中，往往因为固体颗粒的组成不同造成管流特性 的改变。根据料浆颗粒的大小可以分为均匀流、非均质流和非均质一均质复合 流三种输送模式【1 5 】。 2 2 1 均质固液两相流的管流特性 ( 1 ) 均质固液两相流的流态 均质流有层流和紊流两种流态。对于清水水流，可以雷诺数2 1 0 0 作为临界 雷诺数来区分管流的层流与紊流。对于固液两相均质悬液来说，雷诺数表达式 中的的粘度会因浓度变化而变化，还与流型有关。因而使判别均质固液两相流 流态的雷诺数表达式也就变得相当复杂。区分层流与紊流的临界累诺数大小， 与雷诺数本身的表达式有关，需要根据不同流型分别算之。由于均质固液两相 流被看成是宾汉体，下面以宾汉体为例讨论其雷诺数。 对于宾汉塑性体，习惯上采用基于刚度系数计算的雷诺数来确定流态转换 的临界值。 对于管道中的流动，基于刚度系数计算的临界雷诺数表达式为： 肝= 善鼍矧0 0 ( 2 _ 5 ) 式中p 固液两相流的密度，k g m 3 ： 驴一管道内径，m ： i 卜斗均流速，m s ： 刁刚度系数，m p a s ； 口c 屈服应力与管壁处切应力之比； ( 2 ) 均质固液两相流管流的层流流速分布 9 武汉理工大学硕士学位论文 u u 图2 - - 2 伪塑性体、膨胀体及牛顿体在管流中的层流流速分布 图2 2 显示了在流变方程遵循指数定律时，不同n 值下管道中层流流速的 分布。由图可见，伪塑性体( n 1 ) 则相反，随着n 值加大，逐渐向三角锥形流速分布逼近，管中心的流速显得更 大。另外，对于伪塑性体，当n 值较小时，在管中心附近的流速变化很小，以 致与宾汉体的流核相近。 2 2 2 非均质固液两相流的管流特性 ( 1 ) 非均质流的基本特征、流区与界限流速 和均质流相比较，非均质流除了垂向浓度分布有明显的梯度以外，对于一 定流动尺度的水力坡度与流速关系来说，两者也有明显的差别。图2 3 是均质 流与非均质流摩阻损失与流速关系的比较。均质流的摩阻损失与流速的典型关 系，如图2 3 a 中的一条折线。在高流速区，流动是紊流，在图中是较陡的线 性关系线。当流速减小到某一点时，流动从紊流变为层流，这一点就是“粘性 过渡流速 ，低于此过渡流速，作为流速函数的摩阻损失变化，是一段平缓的具 有典型的层流特性的曲线。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ab 图2 - - 3 均质与非均质流的磨阻损失与流速关系的比较 非均质流的摩阻损失与流速关系的典型形状，如图2 3 b 中所示的一条曲 线。在高流速区( a 点) ，曲线趋于平行清水的损失关系，也就是说，随着流速 的增加，垂向浓度梯度变得不明显。随着流速从a 点减小，固体颗粒分布不均 匀性变得愈明显，减小到b 点时，出现不动的或滑动的床面淤积层，这时的流 速叫做淤积流速。对于粒径均匀的浆体来说，淤积流速与摩擦损失、流速关系 曲线上的最小值相符。如流速进一步减小到低于b 点，则在流动床面上开始形 成固体颗粒层，同时由于减小了有效过流面积，使摩阻损失增加。与均质流的 过渡流速不同，非均质流的淤积流速仍属紊流流速，在淤积流速时，颗粒在重 力作用下的下沉趋势恰好超过维持颗粒悬浮的紊动作用。 图2 3 所示两种流动的摩阻损失与流速关系的差别，反映出固体颗粒运动 形式的不同。对于均质流，固体颗粒以悬移形式运动；在非均质流中，固体颗 粒随着流速的变化出现不同程度的推移运动。对于一定的固体浓度和颗粒大小， 从颗粒运动形式的角度，非均质流还可随着流速变化划分为几个流区，如图2 4 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 非均质流的流区与界限流速 1 一固定床面区；2 一可动床面区：3 一非均匀悬浮区；4 一均匀悬浮区 图中纵坐标系固体颗粒的大小，横坐标为水流平均流速。一般情况下存在 如下四个典型的流区： 当固体颗粒较粗，流速较低时，固体颗粒未开始运动，床面保持固定， 如图2 4 中所示的固定床面区。 当流速增加，一定大小的床面颗粒起动进入运动状态，颗粒以推移运动 为主，也有少量悬移运动，如图2 4 中所示的可动床面区。 当流速进一步增大，大部分颗粒进入悬移运动，但仍有一部分或小部分 颗粒为推移运动，如图2 4 中所示的非均匀悬浮区。 当流速很高时，全部固体颗粒都属于悬移运动，如图2 4 中所示的充 分悬浮区，流动特性近似于均质流。但均质流是指在低流速下也能保持颗粒在 浆液中的均匀分布而不分选。 当颗粒直径一定时，随着流速增大，一定浓度的浆体以图2 4 中所示的 u 1 、u 2 及u 3 为界所划分流区，其相应的颗粒运动状况及分布如图2 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) c v 图2 5 非均质流各流区的固体浓度分布及界限流速 划分( 1 ) 、( 2 ) 流区的流速u l ，即所谓起动流速；划分( 2 ) 、( 3 ) 流区的流速u 2 称不淤流速。划分( 3 ) 、( 4 ) 流区的流速u 3 称充分悬浮流速。对于固体输送有实 际意义的将是流区( 3 ) 。因为流区( 1 ) 基本上无颗粒运动，流区( 2 ) 颗粒以推移运动 为主，输送量少，效率低而且管壁受到严重磨损，在浓度提高后还会造成输送 管道的堵塞。而流区( 4 ) 虽然颗粒充分悬浮不会堵塞，但因流速太高，输送能量 消耗过大，管壁磨损亦大。所以无论是管道自流输送，还是泵送，均采用流区 ( 3 ) ，即非均匀悬浮区。在这一流区既能使绝大多数颗粒以悬移形式运动，输送 比较安全，而且输送流速又不是很高，使输送的能耗可以减少。因而这一流区 的下限流速，即u 2 的确定，有重要的实际意义。 2 2 3 均质一非均质复合两相流的管流特性 固体颗粒组成中，粗、细颗粒分布范围很广，固、液混合物在固体浓度达 到一定程度后，细颗粒形成絮网结构与清水一起组成均质浆液，粗颗粒则在浆 液中自由下沉。随着固体浓度的提高，越来越多的粗颗粒物质成为浆液的组成 部分。当固体浓度超过某一临界值时，整个水流转化成均质浆液。这种管道输 送模式称为非均质一均质复合流。复合流的最大流动特点是具有良好的流动性。 就管内流动来看，相同固体浓度及相同管径下复合的阻力远低于相同流速下非 均质流的阻力。 1 3 已k 医囝 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 复合流的基本特性 复合流中细颗粒的存在，粘性提高，使粗颗粒沉速减小，有利于减小推移 损失而减小管道的水力坡度。但如果细颗粒浓度太高，由于浆体粘性随浓度的 高次方增加，使复合流粘性阻力的增加超过粗颗粒阻力损失的减小，反而显得 不利。因此，高浓度复合流中细颗粒的最佳浓度，或粗、细颗粒的合理组成， 应以复合流的粘滞系数达到最小为原则。根据费祥俊等研究，这可使接近均质 流的高浓度复合流的管道水力坡度达到相应的最小值。事实证明矿山高浓度矿 浆、高浓度水煤浆等作为高浓度复合流，其颗粒组成与上述相符。 如上所述，输送颗粒群粒级组成对管道输送性能有较大影响。可以用孔隙 率与堆积密度来衡量管道输送颗粒群的组成情况。 孔隙率为群体颗粒中的孔隙体积与总体积之比，以c o 表示；堆积密度系群 体颗粒中的固体体积和总体积之比，以c 。表示，所以两者的关系为： ( i ) + c m = l ( 2 6 ) 颗粒群的孔隙率因颗粒大小、均匀程度、形状、堆积状况及堆积后受力大 小和历时久暂而有差别。在相同的堆积条件下，孔隙率或堆积密度实际上是颗 粒大小、均匀程度及颗粒形状的综合反映，因此是十分有用的描述颗粒群体特 性的参数。 颗粒大小的不均匀程度，对于堆积密度有较大的影响，即不均匀颗粒的堆 积密度大于均匀颗粒。这是因为不均匀颗粒中粗颗粒间的孔隙，能被较细颗粒 所填充而减少了颗粒群的空隙率。图2 6 是均匀颗粒与非均匀颗粒堆积的示意 图，不难看出，后者( b ) 的堆积密度大于前者( a ) 。 口b 图2 6 堆积密度示意图 粗、细颗粒相互充填可以提高堆积密度，为使颗粒间有很好的相互充填作 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 用，粗、细颗粒的直径必须有足够的差别。图2 7 所示是两种典型的情况，可 以说明粗细颗粒空隙中的细颗粒粒径与粗颗粒粒径的关系。 j ；晕u 1 5 5 ， j ；，o 4 1 4 d s 图2 7 粗细颗粒充填示意图 假定颗粒均为球形，按图2 7 中第一种情况及第二种情况排列时，可按几 何关系求出粗颗粒空隙中的细颗粒直径d s 分别是粗颗粒的0 1 5 5 及0 4 1 4 倍。 也就是说，为了使粗、细颗粒间相互充填有较好的效果，粗、细颗粒粒径比必 须大于2 4 以上。考虑到实际颗粒并非球形，粗、细颗粒的粒径比还应更大些。 ( 2 ) 复合流中粗、细颗粒的最佳组成 由于堆积密度与液体存在有关，所以把c v m 改称为极限浓度，即最大体积 浓度。我们把粗、细两种颗粒各自的极限浓度分别以g 搬。及q 皿f 可表示。x 为粗颗粒占全部颗粒总质量之比值。因粗、细两种颗粒大小相差很大，形态不 同，两者混合在一起后细颗粒可以充填到粗颗粒的孔隙中，因而减小了粗颗粒 的孔隙，增加了极限浓度。图2 8 所示是粗、细颗粒混合前及混合后固体占有 体积变化。 混合前 一生一 错 厂 混合后 添燃 图2 - - 8 粗、细颗粒混合前后占有体积的变化 如用公式表示，则混合前占有体积为： 竺：( 1 - x ) m + 竺( 2 7 ) 一= = 一1 卜一 厶。一i ， ps c 帅p 3 c 呵p s c 愀 武汉理工大学硕士学位论文 混合后占有体积减小，变为 l = ( 1 - x ) m + 竺( 2 8 ) 一= 一+ 一 l z o ， p l c 。p 3 c 嚼p 3 c 乙惦 式中m 固体总质量，k g ； c 帅混合前总的固体极限浓度； c 二混合后粗颗粒的极限浓度。 当粗颗粒质量比较小时，其孔隙全部被细颗粒填满，即孔隙率( 1 ) = o ，这相 当于在浓度较高的细颗粒悬液中加入数量不大的粗颗粒，这时 石5c ，c 乙= l - - c o = l( 2 9 ) 当粗颗粒质量比很高时，其孔隙只有部分的被细颗粒填满，这时 国= l c 雕一( 1 一力 工 c o ，c ：i ，l c = 1 一缈= c 啊。+ ( 1 一功( 2 - - 1 0 ) 由等式( 2 7 ) 可得，复合流中固体颗粒的极限浓度 c 一2f 打 q 一1 1 ) 一- 一 c 呵c 0 当粗、细颗粒各自的组成为己知时，其各自的极限浓度q 俄及c 、面可也可 测得。这样，将等式( 2 9 ) 、等式( 2 一l o ) 中的c 岫。代入等式( 2 一1 1 ) 中，可以 求得： c 。= ( x ) 如图2 9 所示，该图是针对c 哪严0 4 5 而绘出的。由图可见，在细颗粒组 成( c 啪f ) 为一定的条件下，粗颗粒混合后的极限浓度因c v m f 值的增大而加大， 并且因x 值的变化存在一个c 恤的最大值。这便是当粗、细颗粒组成为一定时， 复合流中粗颗粒( 或细颗粒) 含量的最佳值。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 9 乙一x 关系 由图2 9 还可以看出，达到较高c 值，往往要求比较相对比例的粗颗粒 含量。在一般情况下，如图所示即使x = c v m 时，或粗颗粒空隙全部被细颗粒填 满时，也未能达到最大的c 咖值。如图2 9 中两个曲线段的交点，表明粗颗粒 最佳比例x c 恤。由此可得出这样的结论：高浓度复合流中粗颗粒必须占大部 分，细颗粒必须只占小部分。 2 3 水力高程线图 水力高程线图是长距离液体管道设计和操作的重要工具。如图2 一l o 中所 示，水力高程线图一般包括三条曲线，即管道高程线、管道水力高程线和管道最 大容许水力高程线。 如果在管道上安装一系列垂直管，液体将进入这些垂直管并在管内保持一 定高度。管内液体柱顶面的高程称之为水力高程( h y d r a u l i cg r a d e ) ，h 。将各点的 水力高程连成线就是管道水力高程线( h y d r a u l i cg r a d el i n e ) 。管道在某一点的内 部压力( p ) 等于液体柱的高度( h ) 乘于液体的重度( 7 ) 。 p = h y ( 2 1 2 ) 反过来，若某点的压力已知，该点的水力高程可通过下式计算。 日：! + ( 2 1 3 ) y 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 e 甜 式中e 是管道高程。 、 _ lj 亭、 图2 - 1 0 典型水力高程线图 从图2 1 0 中可见a 点的水力高程与管道商程的差值比b 点太，所以a 点 的压力比b 点高。水力高程线的坡度被称为水力坡度( h y d r a u l i cg r a d i e n t ) 。 f 一竺 ( 21 4 ) 班 水力坡度反映了管道的磨擦阻力。一般来讲，管径一定时，流量越大，磨擦阻 力越大，水力坡度也越大。矿浆浓度越高，粘度越高，磨擦阻力越大，水力坡度也 越大。 根据某段管壁的厚度和材料的强度，按照美国国家标准学会( a n s i ) 的规范 ( a n s i b 3 1t 1 ) 茸道在该段的最大承压能力可通过下式计算： p ：丝 ( 2 1 5 ) d 式中p 为管道可承受的最太内压，k p a t 为管壁的厚度r n m d 为管道外径= 2 2 86 m m 武汉理工大学硕士学位论文 s 为0 8x 材料屈服强度。 为便于和水力高程线比照，最大承压能力可用最大容许水力高程h i 来表 示： h ，：量+ e ( 2 1 6 ) 7， 把各点的最大容许水力高程连起来就是最大容许水力高程线。在正常运行 时，水力高程线不容许超过最大容许水力高程线。或者说，水力高程线不容许与 最大容许水力高程线相交。同时，水力高程线也不能低于管道高程线，若低于 管道高程线此时便会形成负压出现加速流现象。 2 4 矿浆管道输送磨阻损失计算 矿浆管道输送的沿程磨阻损失常采用达西公式计算： t = 旯i 石 ( 2 1 7 ) 式中a 沿程阻力系数( 无量纲) ，管子的长度 d 管子的直径 u 管子有效截面上的平均流速 这样，计算沿程磨阻损失，关键就是确定沿程损失系数。对于圆管层流，沿程 损失系数五为： 兄：丝( 2 1 0 。) = 一 厶一l ， r e 即在层流情况下， 五只与雷诺数r e 相关。 而对于湍流，大量的实验研究和理论研究表明，圆管湍流的沿程损失系数 五是与雷诺数r e 及管壁相对糙度三相关的，即 a t 见= f ( r e ，三) 口 由于湍流流动的复杂性，目前对湍流流动情况下沿程损失系数，只能在实 验的基础上得到一些半经验表达式。 ( 1 ) 尼古拉兹实验 尼古拉兹( j n i k u r a d s e ) 对粗糙圆管的沿程损失进行了非常系统、广泛的实验 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 研究。为了比较确切的表示粗糙度的特性，采用了人工粗糙管壁，即以颗粒均 匀的砂粒粘敷在管壁上，沙砾的直径即绝对粗糙度。其他的研究者也进行了类 似的实验研究工作。在对大量的实验数据进行归纳的基础在宽广的范围内确定 了厂与r e 函数关系，见图2 1 1 。 o ，l o 0 0 9 o o s 0 0 7 o o 0 5 o ，o o 0 3 o 0 2 o o l 摇 c毛 b x r i i r l 、 l ，j ? 譬多一，_ 一 。， 弋 o 唯善 d o - 1 - 寸呵 、 - - ，j ， lv - - i i1e- j l 一r - 、 j一 ll 、 占 - 趣 一 - - l 。 警 l d 一 1 ， ， l 7 号 il j一h 悼 蕊、 、 、 图2 1 1 尼古拉兹实验曲线 ( 2 ) 莫迪图 莫迪( l f i n o o d ”用实际的商品管进行了类似的实验研究， 了觏确到面1 刊唱d + 3 4 8 - 4 l o g ( 1 + 9 3 5 丽d )万= 4 l 。g丽) 互上 d 如 点- l d6 1 2 王一_ l d1 2 0 王l d2 5 2 上上 d5 0 4 羔二l d1 0 1 4 对实验数据进行 ( 2 1 9 ) 并把他的实验结果绘制成莫迪图( 图2 1 2 ) 。莫迪图中采用了等效粗糙度 的概念，并以此确定沿程损失系数。莫迪图可以用来方便地确定沿程损失系数名 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 o 1 0 0 9 0 0 8 0 0 7 ao 0 6 0 0 5 o 0 4 i 、，i 。i r j e8 - 爱_ i ；1 ；三；一壬一：一耋善；i i il ；姜 j ：al 一一一 - “+ ， 薹i慧i娄量圣 _ 。一。 * 一+ 一i h l u 1 l j lhl ：j l l ：1 。 、彩一：、氐、二h 一 、。 。一一 髯i 睦主 、忒 嗡漶蒌孽蕈薹羹 一 _ 一 + 、牟丰t 一 l 1 ； i l 【 1 ：- 一 1 氐、 一j 一i 1 ： 、滔苎：二! ! ! 。j 1 1 i s _ 一! 埘自装强 图2 1 2 莫迪图 2 5 矿浆管道输送临界流速计算 临界沉积流速为固体颗粒在输送中保持悬浮状态而不产生滑动层和淤积层 的最低流速。一般运行流速都应高于临界流速，以保证管道长期运行时浆体的稳 定性，并保证管底不发生严重磨蚀。由于常用的运载流体是水，在正常管流条件 下通常是紊流状态，所以非均质浆体的临界流速几乎必定是紊流现象。它直接 与颗粒的沉速和系统中的紊动程度有关，因此它随着颗粒大小、颗粒密度和固 体含量的增加而增大。临界流速也随着管径的增加而增大。临界流速对管流的 重要性是明显的，它象征着安全运行的下限。更低的流速会导致管内形成土体 颗粒床面，磨阻损失随之相应得增大并常常具有脉动性；如果流动充分减慢， 将导致管路堵塞。 目前，浆体管道临界不淤流速的计算公式很多，但是却带有一定经验性， 再加固体颗粒物种各异，粗细颗粒组成复杂。不同的理论推导不同的计算公式 【6 】。 2 l 筋 m 坫 m 鹏腿 n m n m n 加加 蝴 蝴 耋| 吣 一蝴 武汉理工大学硕士学位论文 基于扩散理论推导公式： 基于两相流理论推导公式【1 】： 基于功能平衡推导的公式： v 。= 0 6 t o 、f f ，- 8 。 e 。4 5 。( 2 - - 2 0 ) ! c ： ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 以上公式由于是基于不同理论不同条件提出的，因此计算值差别较大。例 如有的临界流速公式随固体物料的浓度提高而增大，有的则相反，随固体物料 浓度提高而降低。 2 6 本章小结 本章以管道水力输送理论为基础，分别论述了管道输送流体的流变模型、 浆体的管流特性，奠定了建立参数优化系统和数值分析模型