張剛武， 黃康鑫， 曾 健， 郝明輝， 王天西

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 611730；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 四川成都 610065)

水泥漿液長距離輸送流動特性的數(shù)值模擬研究

張剛武1， 黃康鑫2， 曾 健1， 郝明輝2， 王天西1

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司， 四川成都 611730；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 四川成都 610065)

在管道輸漿工程中，常常會關(guān)注水泥漿液在輸漿管道內(nèi)的速度和壓力變化情況，因為它直接關(guān)系到管道的安全運行和運行的能耗。文章通過工程案例針對長距離輸漿流動特性利用FLUENT進行數(shù)值模擬，分析管道長度、漿液黏度、輸漿速度及管徑對管道壓力損失和流速的影響。分析結(jié)果表明：輸漿管道內(nèi)百米壓降值為0.52～0.56 MPa，輸送距離對壓力損失影響較小；輸送壓力損失與水泥漿液黏度及流速之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符；當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系。

長距離輸漿; 流動特性; 數(shù)值模擬; 管道壓力損失

固體物料的漿體管道輸送是一種新興的現(xiàn)代化運輸方式，目前已被廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、化工、水利和環(huán)保等諸多工業(yè)領(lǐng)域[1]。水泥漿液作為一種典型的固體物料，研究漿液配比(黏度)、流速、管道直徑等因素對壓力損失情況的影響具有重要意義，因為它直接關(guān)系到泵送設(shè)備的選擇和管道運行的安全。由于實驗研究的復(fù)雜性和局限性，不可能對漿液輸送的每個工況都進行試驗研究，數(shù)值模擬方法已經(jīng)在管道輸送中得到了廣泛的采用。鄧代強等人[2]采用數(shù)值模擬方法分析不同濃度料漿在長距離管道中的流動壓強、流速及偏轉(zhuǎn)特性。姜小放等人[3]運用FLUENT流體動力學(xué)仿真軟件對改進的三通管道進行了湍流模擬，驗證了管道設(shè)計的合理性。王繼紅等人[4]采用的兩相流理論模型與CFD模擬相結(jié)合的方式較為詳盡地獲得管道內(nèi)固液兩相流的各項信息參數(shù)。

隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)的發(fā)展，液固兩相流的數(shù)值模擬計算得到迅速的發(fā)展，其中FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD(Camputatianal Fluid Dynamics)軟件之一，廣泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和污染物運移等問題[5]。本文結(jié)合錦屏二級水電站引水隧洞輸漿系統(tǒng)，利用FLUENT軟件對輸漿管道在不同工況下進行數(shù)值模擬，重點分析管道壓力損失的各種影響因素，以為管道輸漿安全運行提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況及軟件簡介

灌漿是確保錦屏二級水電站引水隧洞在深埋、高地應(yīng)力和高外水壓力下的穩(wěn)定性的重要措施，但引水隧洞軸線長、需漿量大、輸送濃度高以及洞內(nèi)運輸條件限制，水泥漿液的安全輸送是灌漿工程的首要難題。水泥漿液為固-液兩相流，其流變特性以及其在管道中的流體結(jié)構(gòu)和運動機理極為復(fù)雜，充分掌握水泥漿液在輸送管道內(nèi)的流體力學(xué)規(guī)律對解決依托工程長距離、高壓輸漿管道的安全性問題至關(guān)重要。

FLUENT是一個用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件。FLUENT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。對于具有較大梯度的流動區(qū)域，F(xiàn)LUENT提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性可讓用戶在很高的精度下得到流場的解。該軟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模型和大渦模擬LES等。其中k-ε雙方程模型已經(jīng)被廣泛地用在管內(nèi)流動、邊界層流動、剪切流動等的數(shù)值模擬中并獲得了較大的成功[5]。其湍動能k方程和耗散率ε方程具體為[6]：

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 計算工況及參數(shù)選取

本文重點研究管道長度、漿液配比(黏度)、輸送速度以及管道直徑對水泥漿液輸送過程中壓力損失的影響，具體工況及參數(shù)設(shè)置為：

(1)在研究管道長度對漿液流態(tài)影響時，根據(jù)引水隧洞輸漿工程的實際情況，近距離工況取50 m、300 m和500 m共三種長度，長距離輸送工況取1 000 m、2 000 m和3 000 m共三種長度。水泥漿液參數(shù)與實際施工保持基本一致：密度取1 735 kg/m3，黏度取60 MPa·s(約相當(dāng)于0.5添加1%的減水劑)，輸漿管道直徑為27 mm，輸漿流速取2.5 m/s，輸送能力為85 L/min。

(2)由于不同漿液配比對流態(tài)的影響主要體現(xiàn)在其具有不同的黏度，本文選取了40 mPa·s、60 mPa·s、80 mPa·s、100 mPa·s、130 mPa·s、150 mPa·s和200 mPa·s共7種不同黏度情況下的漿液流態(tài)、壓力損失等，管道計算長度取500 m，直徑為27 mm，流速取2.5 m/s。

(3)當(dāng)管道直徑確定時輸送的流速與流量一一對應(yīng)，因此有必要研究不同輸送流速(流量)工況下水泥漿液在管道內(nèi)的流動規(guī)律，本文研究計算了：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個流速工況。

醫(yī)學(xué)人才保持終生學(xué)習(xí)的能力，已成為不可或缺的要求。相較于其他專業(yè)，醫(yī)學(xué)對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研素質(zhì)提出了更高的要求[8]，而規(guī)范化的學(xué)生科研團隊則可以為學(xué)生提供良好的科研思維訓(xùn)練。然而由于場地、資金及相關(guān)配套設(shè)施等問題，客觀上限制了學(xué)生科研團隊的質(zhì)量。對比于基數(shù)龐大的學(xué)生數(shù)量，名額配給過少，只能向精英化模式發(fā)展，遠遠不能滿足當(dāng)前需求。對此，應(yīng)主動地改革教學(xué)方式，將一線教學(xué)與學(xué)生科研團體相結(jié)合，理論課程教學(xué)作為學(xué)生科研團體的基礎(chǔ)，學(xué)生科研團體的開展促進專業(yè)教育的延伸，二者相互促進并互相融合。學(xué)校應(yīng)主動為學(xué)生科研活動的開展給予充足的物質(zhì)保障，提升科研團隊質(zhì)量，使更多的學(xué)生從科研活動中受益。

(4)研究管道直徑對水泥漿液在管道內(nèi)流速分布、壓力損失等參數(shù)的影響時，管道直徑根據(jù)相關(guān)規(guī)范選擇常用的20 mm、25 mm、32 mm、40 mm和50 mm共5種，輸漿流量定于80 L/min，水泥漿液黏度取60 mPa·s。

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)錦屏二級水泥漿液輸送的實際情況，在研究中主要用到了速度入口和壓力出口兩種邊界條件，現(xiàn)分別介紹如下：(1)水泥漿液的壓縮性可以忽略不計，因此可以選用速度入口邊界條件用于定義流速以及入口的流動屬性相關(guān)標(biāo)量；(2)水泥漿液出口處壓力為大氣壓強且流速不高，所以可以采用壓力出口邊界條件，壓力出口邊界條件需要在出口邊界處指定靜壓。

在FLUENT軟件中使用ICEM CFD建模并生成網(wǎng)格，ICEM CFD提供了高級幾何獲取、網(wǎng)格生成、網(wǎng)格優(yōu)化以及后處理工具，可滿足CFD對網(wǎng)格劃分的嚴格要求。由于水泥灌漿系統(tǒng)管路整體性比較好，故可直接進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格計算步長依具體工況而定。通過ICEM CFD生成的網(wǎng)格文件，可采用File/Read/Case命令導(dǎo)入FLUENT中，以進行后續(xù)計算分析。網(wǎng)格劃分示意圖如圖1。

圖1 ICEM CFD網(wǎng)格示意

3 計算結(jié)果及分析

3.1 管道長度對漿液流動規(guī)律的影響

50～3 000 m輸漿距離下，所需輸送壓力、壓力損失以及管道內(nèi)的最大、最小流速見表1。

表1 不同輸漿長度下計算結(jié)果匯總

在水泥漿液的輸送工程中，我們較為關(guān)注的是輸送的壓力損失，輸漿距離與百米距離壓力損失關(guān)系如圖2所示。當(dāng)輸送漿液為50 m時，管道輸送的百米壓力損失為0.66 MPa;輸送距離為50～500 m時，管道輸漿的百米壓力損失為0.52 MPa;500 m以上，輸漿管道的百米壓力損失為0.55～0.56 MPa。在輸送距離短于50 m時損失較大是由于漿液從平均流速向?qū)恿餮莼^程中，流態(tài)的紊動造成的。綜上可知，當(dāng)漿液的黏度、管徑、流速確定時，輸漿過程中的壓力損失對輸漿距離不敏感，百米長度壓力損失為0.52～0.56 MPa。

圖2 輸送長度與單位壓力損失關(guān)系

3.2 漿液黏度對漿液流動規(guī)律的影響

漿液黏度與百米長度壓力損失關(guān)系如圖3所示。當(dāng)輸送管道直徑、流速確定時，輸送壓力損失與水泥漿液黏度之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。在管徑27 mm、流速2.5 m/s時,該關(guān)系式為：y=6.9534x+0.1066，40～200 mPa·s的水泥漿液的輸送百米壓力損失介于0.36～1.48 MPa，該計算結(jié)果與現(xiàn)場實驗測試壓力損失基本相符。不同黏度下水泥漿輸送參數(shù)見表2。

圖3 漿液黏度對壓力損失的影響

黏度/(Pa·s)流速/(m·s-1)百米壓降/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 流速對漿液流動規(guī)律的影響

輸漿流速在0.5～3.5 m/s范圍內(nèi)時，水泥漿液在管道內(nèi)的流動規(guī)律計算匯總表見表3。

表3 不同輸漿流速時數(shù)值仿真計算成果

根據(jù)表3可繪制輸漿流速與輸送壓力損失的關(guān)系(圖4)。當(dāng)輸送管道直徑、漿液黏度確定時，輸送壓力損失與水泥漿液流速之間呈線性關(guān)系，與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。在管徑27 mm、漿液黏度為60 mPa·s時,該關(guān)系式為：y=0.2108x。同時需注意，根據(jù)輸漿試驗時的觀察，認為在輸送管道水泥漿液呈擬均質(zhì)流，在數(shù)值仿真計算中可不考慮水泥漿液的沉積性，但流速過低、輸漿距離過長時仍需要考慮水泥顆粒的少量沉積。因此考慮沉積、管道磨損和壓力損失等因素影響，建議水泥漿液的輸送流速介于1.5～2.5 m/s之間。

圖4 輸漿流速對壓降的影響

3.4 管道直徑對漿液流動規(guī)律的影響

不同管徑下，漿液在管道內(nèi)的最大、最小流速以及壓力損失見表4所示。

表4 不同黏度下水泥漿液輸送參數(shù)

圖5為輸漿管路直徑與輸送壓力損失之間的關(guān)系圖。如圖5所示，當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系。在管徑流量為80 L/min、漿液黏度為60 mPa·s時，該關(guān)系式為：y=278126x-4。

圖5 輸漿管道直徑對壓降的影響

4 結(jié)論

本文建立了輸漿管道的物理模型，并對其進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定，隨后利用FLUENT對所建立的模型進行數(shù)值計算，得到以下基本結(jié)論：

(1)在錦屏二級引水隧洞輸漿工程中，長距離工況下輸漿管道的百米壓力損失為0.55～0.56 MPa。總體來說，在長距離輸送漿中輸送距離對壓力的損失影響不大。

(2)當(dāng)輸送管道直徑、流速確定時，輸送壓力損失與水泥漿液黏度之間呈線性關(guān)系，計算結(jié)果與經(jīng)典流體力學(xué)關(guān)系相符。黏度在40～200 mPa·s的水泥漿液的輸送百米壓力損失介于0.36～1.48 MPa之間。

(3)當(dāng)輸送管道直徑、漿液黏度確定時，輸送壓力損失與水泥漿液流速之間也呈現(xiàn)線性關(guān)系。綜合考慮沉積、管道磨損和壓力損失等因素影響后，建議水泥漿液的輸送流速1.5～2.5 m/s。

(4)當(dāng)輸送流量、漿液黏度確定時，輸送壓力損失與管道直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，可以作為類似工程管徑的選擇提供參考。

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[2] 鄧代強，朱永建，王發(fā)芝，等．充填料漿長距離管道輸送數(shù)值模擬[J]．安徽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，36(6)：36-43．

[3] 姜小放，曹西京，司震鵬．FLUENT技術(shù)在工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)用[J]．化工設(shè)備與管道，2009,46(5):46-48．

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[5] 王福軍．計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[6] Fluent Inc., FLUENT User's Guide. Fluent Inc., 2003.

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[定稿日期]2015-05-26