基于fluen的充填料浆管道输送方案优化

基于fluen的充填料浆管道输送方案优化

20世纪80年代以来，自全尾砂胶结技术的诞生以来，全尾砂浓缩和脱砂技术在中国得到了迅速发展和创新。目前，填充液已经从低浓度转变为高浓度甚至石膏体。由于其运输技术和力学结构的复杂性，管道输送技术的实际问题没有得到准确的解决。对于充填矿山而言,稳定的充填管道系统是不可缺少的前提。充填设计人员受传统思维影响,仅依靠类比工程法、经验公式或充填倍线值不得大于6的国际公认理论开展管道布置设计工作,往往很难得到因矿而宜的最优充填管道布置方案。如国内武山铜矿、金城金矿因管道布置不合理,冬季只能采用低浓度料浆充入采场,由此给生产带来了诸如料浆离析、滤水污染巷道等问题;国外希腊Stratoni矿因管道输送布置存在问题,常发生充填体因强度不够发生破坏的事故。随计算机工程的发展,仿真分析和数值模拟技术在化学反应与燃烧、多相流、噪声、动/变形网格、旋转机械、材料加工、燃料电池等领域成功运用,为浆体管道输送研究开创了新方向和思路。本次优化研究拟采用大型有限元FLOT-RANCFD软件对充填管道进行相关参数仿真模拟,探索性找出管道布置的最优方案。1全尾砂胶结充填料浆的制备石人沟铁矿地表充填制备站于2011年初建成使用,由Φ10m/850m3钢结构锥形底立式砂仓、Φ5m/220t水泥仓和2m3搅拌桶等组成,并安装了性能可靠、实用的各类工业指标控制仪表。在充填过程中,利用控压助流技术对砂仓内沉砂进行活化造浆,稳定、顺畅放出全尾砂料浆至搅拌桶,与单管螺旋给料机输送的水泥按一定比例进行充分均匀搅拌,制备出合格的全尾砂胶结充填料浆。因地下采场空区分布错综复杂,井下充填管道系统仅在小倍线3~4内布置,而需充填的最大充填倍线达到15,长期受空间范围限制而无法对远距离采场进行充填作业,因此,该矿优化管道布置势在必行。2follecfd填充管道模拟分析2.1高浓度充填料浆流变模型充填料浆粘度不随温度的升降和时间的推移而发生变化,具有恒粘特性;井下热交换、管道振动和爆破波等外在环境干扰较小,可以不考虑;高浓度充填料浆流变模型为非牛顿体中的宾汉体;为方便观察管道沿途压力损失,设置管道出口处压力值0kPa。2.2充填管道接触条件充填料浆管道自流输送模拟,主要施加如下载荷:重力载荷施加,方向始终向下;施加充填进口速度;设定管道出口与井上管道进口相对气压为零;管壁需施加无滑动位移边界条件。在计算过程中充填管道模型上施加的载荷始终保持各自的初始方向,不随单元方向的变化而改变,同时,表面载荷力方向为模型表面法向。2.3自动生成网格化后的局部分析(1)设置分析选型,进入主菜单>选项,然后点取“流体动力学计算”项,点取“确定”。(2)添加单元类型,运行主菜单单元类型>添加/修改/删除,对话框单击“添加”,选取“二维FLUID141单元”。(3)创建节点,并连接成线。(4)选取所有线,自动生成面。(5)划分有限元网格,特别对局部弯头进行局部加密处理。(6)生成并应用新的工具栏按钮。(7)设定边界条件:管道出口压力值设定为零;管道进口处设定初始速度;管道外壁临界面速度都为零。(8)流体分析参数设置:运行主菜单>求解方法>流体初始设置>参数,将弹出菜单的“层流或湍流”,域设为“湍流”,进入主菜单>求解方法>流体设置>流体物理属性,在弹出菜单中,填入相应充填料浆的恒值密度和恒值粘性;进入主菜单>求解方法>流体设置>流体环境>重力加速度,选择Y方向一栏填入-9.8;进入主菜单>求解方法>流体设置>控制运行,在弹出菜单的“全局迭代”,域输入10,点取“确定”。3最优自流输送参数石人沟铁矿充填管道为新型钢编塑料管,规格为Ф146mm×12mm,P≤2.5MPa。在全尾砂充填料浆L型管道输送试验中,集团矿山设计研究院获得了最优自流输送参数,流量范围为80~100m3/h、浓度范围为72%~74%。参考上述试验参数,本次模拟浓度设定为72%,密度为1801kg/m3,粘度系数为0.118Pa·S,流量为100m3/h,流速为2.5m/s。根据优化目标和原则,只有充填倍线N是自由变量,范围5~8,确定该值即可获得该矿最优管道布置方案。3.1充填模型尺寸石人沟铁矿垂直管道长度为100m,如按实际管长来模拟,存在划分网格难度大、计算不稳定及结果说服力差等问题,经雷诺数Re相似准则公式处理,在不影响结果前提下管道垂直和水平尺寸均缩小10倍,各充填管道模型尺寸见表1。3.2充填倍线n=6对气蚀效应的影响从图1~图4可以看出:(1)充填倍线为5时,充填料浆在弯管处急速折转,因离心作用,流速分布出现分层,从外向内转角增大,局部甚至出现了气蚀效应;充填倍线N=6时同样出现气蚀效应。(3)充填倍线为7.5时,弯头外转角出现低速区域,充填料浆可能因流速小于临界流速而淤积堵管。3.3充填倍线对充填料浆输送性能的影响划分有限元网格时,由于空间大小和形状有所不同,尤其对弯管处局部进行了加密处理,Fluent计算精确度略有差异,但计算结果的整体性和趋势还是比较明显的,不会明显影响优化结果,统计数据见表2。(1)因设定出口压力值为0,故进口压力即为整个管道输送的阻力损失值。从图5可以看出,随充填倍线增加,管路阻力损失逐渐上升。当充填倍线N=6.5时,进口压力曲线出现了折点,曲线斜率突然变大,分析原因可为充填料浆由不满管流转化为满管流。(2)从图6可知,当充填倍线为6.5时,进口流度变化值最小,完全接近最初设定值2.5m/s,而其它充填倍线的进口流速最大值均呈现出了增大的趋势,会明显引起管口的振荡,导致料浆输送不稳定,直接影响充填体的质量。同时,随充填倍线增加,出口流速呈现变小趋势,当N=8时充填料浆流速已小于2m/s。4充填管路输送优化在全尾砂充填料浆浓度为72%,流量为100m3/h条件下,对不同充填倍线方案进行了管道输送模拟和分析,结论如下:(1)准确反映了弯管内部流态。当充填倍线为6.5时,料浆未受弯管影响,充填管道上速度相同,呈“似柱塞体”做整体运动。充填倍线<6.5时,弯管处内壁附近的料浆流速明显高于外壁,局部出现气蚀现象。充填倍线为7.5时,料浆在外转角处于低速流动状态。(2)精确统计和分析了充填倍线与速度、压力对应关系。当充填倍线为6.5时,压力值趋势出现转折,管道输送由不满管流转化为满管流,出口速度接近进口初始设定值2.5m/s,管道输送系统比较稳定、顺畅。(3)本次优化方案最佳值为6.5,突破了充填倍线值不得大于6的国际公认理论值。经石人沟铁矿数月的现场试验,实践最优值