固液两相管道瞬变流模拟研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G 固液两相管道瞬变流模拟研究① 吴度希 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 V 0 1 ．3 3 №3 J u I ”2 0 1 3 摘要针对长距离固液两相输送管道中发生的瞬变流问题，推导了固液两相浆体管道瞬变流的连续性方程与运动方程及相应的 特征方程，建立了浆体管道固液两相瞬变流的数学模型，开发了瞬变流计算软件H y d r a u l i cT r a n s p o r t ，引入多线程计算，大大提高了 计算效率，并对某铁精矿浆体输送管线进行了计算，计算结果与实测结果基本一致，验证了计算模块的有效性。 关键词浆体管道输送；瞬变流；特征线法；多线程；模拟计算 中图分类号0 3 5 9文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 8 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 3 0 0 2 7 0 4 S t u d yo nT r a n s i e n tF l o wS i m u l a t i o ni nS o l i d - l i q u i dS l u r r yP i p e l i n e W UD u x i C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fl i m n i n ga n dM e t a l l u r g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft r a n s i e n tf l o wo c c u r r e di ns o l i d l i q u i dt w o p h a s et r a n s p o r t a t i o np i p o h n e ，t h ec o n t i n u i t ye q u a t i o n ， e q u a t i o no fm o t i o n ，a sw e l la sc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n sw e r ed e d u c e df o rt h et r a n s i e n tf l o wb yu s i n gf l u i d m e c h a n i c sa n dt h e o r yo ft w o p h a s ef l o w ．T h e n ，am a t h e m a t i c a lm o d e lW a se s t a b l i s h e df o rt h et r a n s i e n tf l o wi nt w o p h a s e f l o wp i p e l i n e ．T h es o f t w a r eo fH y d r a u l i cT r a n s p o r tW a sd e v e l o p e df o rc a l c u l a t i o no ft r a n s i e n tf l o wb yi n t r o d u c i n g m u l t i - t h r e a d e dt e c h n o l o g y ，r e s u l t i n gi nt h ec a l c u l a t i o nt i m eg r e a t l yr e d u c e d ．B ya p p l y i n gt h i ss o f t w a r ei n t ot h es l u r r y p i p e l i n eo fi r o nc o n c e n t r a t e ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to b t a i n e di sb a s i c a l l yi nc o n f o r m i t yw i t hp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ， p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l ． K e yw o r d s s l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ；t r a n s i e n tf l o w ；m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s ；m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y ； s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n 固体颗粒的浆体管道水力输送在世界范围内获得 了迅速发展，输送物料的范围不断扩大，输送距离从短 到长，输送浓度由低到高，在矿山、水利、环境、化工等 许多部门得到了广泛的应用H ‘3J 。在管道输送中需要 特别注意发生的瞬变流现象。瞬变流现象存在于管道 输送系统由稳定状态过渡到另一个稳定状态，一般在 关闭阀门、停泵或故障停车等瞬变条件下引起，由于流 速发生改变而导致管道中的瞬变压力，甚至产生水击 现象出现压力波动。瞬变流可引起管道振动产生噪 音，严重时导致管道输送系统的破坏，发生严重生产事 故。分析研究管道输送系统的瞬变流状态可校核管壁 厚度、法兰压力等级、优化管道系统操作运行程序。 从1 8 5 0 年W i l h e l mW e b e r 测量了管壁弹性对水 击波传播速度的影响起，瞬变流理论研究已有1 6 0 余 年。随着固液两相管道水力输送技术的发展，管道固 液两相瞬变流计算亦发展起来。但长距离浆体管道输 送的瞬变流计算应用软件较少。本文建立了长距离浆 体输送管道瞬流计算模型，并应用于工程实际预防瞬 变流的发生，为浆体输送管道的相关设计人员提供 参考。 1 浆体瞬变流控制方程与特征方程 取控制体如图1 所示，浆体从断面1 1 流入，从断 面2 2 流出，两断面间距为出。设断面1 1 的鳓A ， 流速为％，固体颗粒密度P 。，液相水的密度为P 。，浆体 密度为P 。，浆体体积浓度为c 。。粗实线表示t 时刻管 道纵截面位置，虚线表示t 出时刻管道纵截面位置。 管道轴线与水平面的夹角为0 ，重力加速度为g 。 ①收稿日期2 0 1 2 ．1 2 - 2 2 基金项目国家十一五科技支撑计划课题 2 0 0 6 B A B 0 2 A 1 2 作者简介吴度希 1 9 5 5 一 ，男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事采矿工程与科技管理工作。 万方数据 2 。 一 兰三里 ．一竺兰 一一 ～令 图1 浆体管道控制体 根据质量守恒定理可得 警c 。 蝗d tf “ l c ， p 。蕊d A P 。鲁 o 1 若考虑壁厚影响，令P 为管内压力，p 。。为管外压 力，e 为管壁厚度，管道外径为D ，管道内径为d ，环向 应力盯。由下式给出H 。 D 2 D ／2 e 2 P 。。一P 1 ％2 1 矿万万一万 D ／2 2 P 一 D ／2 e p 。。 D e e 不考虑壁厚影响时，环向应力可以根据静力平衡 得到 D D ％2 葛 再根据弹性力学及流体力学相关知识，有下列关 系成立 上监一上韭 P ，d t E ，d t 上亟一上业 2 P 。d tE 。d t 上些一旦生 Ad t E ed t 式中E ，为颗粒弹性模量；E 。为清水弹性模量；E 为管 道弹性模量。 将式 2 代人式 1 ，整理后得 去鼽岳饥警饥是 去 鲁 。 其中 壁塑 p 。[ p 。C 。 p ， 1 一C 。 ] 口{ I 1 ■T K 孤 ‘4 风瓦十儿E 。叩“E e 式 4 即为浆体水击波速。于是，式 3 可改写为 去窑吨鲁 o 5 接下来考虑图2 浆体微元的平衡，外界作用于控 制体匕的力有 图2 浆体管道微元 1 管道横截面压差 耻警以挚出 p 6 式中p 为浆体元横截面上的压强；A 为管道横截面积。 2 管壁压力在管轴方向上的分力 婴 耻肌砒府 管径沿轴线变化应该是- d , t ，因此 一诎篆p 单⋯㈣ 3 管壁摩擦力 F 3 1 - ．, t r D d x 8 式中f 。为管壁浆体切应力。 4 体积力 只考虑重力时，体积力由式 9 给出 凡 p ．g s i n O A d x 9 5 体惯性力 F s m 警 m 警 ‰鲁 c 旧， 3 式中m 为浆体微元的质量。 根据牛顿第二定律，得水击运动方程 伪均质流 去罢鸭警专 g s i n O ％石 r r D 。 1 1 非均质流 焉蒜力相氯鑫浆体切应三；气的处理方 万方数据 第3 期 吴度希固液两相管道瞬变流模拟研究 多妻中曰 三； ，，A [ ≥二] ，芎； { 妻 ， 考量 { 粪 ，c { g s i n 护一0 4 乏≯。 ，s i n 口 一塞。 程，y i 面d x 口。c 江1 ，2 ，可以得到分别沿两条特 c f 警 p c d la p 。- g s i n O A 百v ．1v ．I ～⋯ c p p 地cd t - g s i n O A 百v ．1v ．I ～ 1 4 c J 面一工1 r ～ 1 4 2 利用多线程技术提高计算效率 3 算例 对于全长1 7 0k m 的某铁精矿浆体输送管线进行 了计算。这里仅介绍一种工况3 号泵站由于电力故 障在3 ．5s 内停止运行；由于电气控制连锁，1 号及2 号泵站在3 号泵站停止运行后1 0S 内正常停止运行， 同时管线出口阀门在3 号泵停后2 0s 内关闭。计算 结果如图3 所示。 暑 ＼ 魁 挺 管长／m 图3 某铁精矿浆体输送管线瞬变流模拟计算 稳定流水头单位为米浆柱，因此沿程水头曲线不 应该与高程线有交点，而且必须高于高程线，此状态下 处于流动状态的浆体有足够的能量克服流动时的摩阻 损失。若沿程水头曲线低于高程线，则有两种情况可 能发生管道发生堵管或泄露。这两种情况在实际生 产中不允许出现。 在此工况下，l 、2 、3 号泵站入口及管线出口处压 力均较稳定流水头大幅升高，特别是3 号泵入口，提升 将近4 0 0 米浆柱。1 、2 号泵站间的管道最大压力均有 所上升；而2 、3 号泵之间约有2 ／3 的管道受影响；3 号 泵至出口的管段只有靠近出口约5 0 ％的管道受影响。 因此，在管道选型时，根据上述工况，可以只针对受影 响的管段，适当加以增强。 l 号泵出口以及3 号泵入口测管水头随时间的变 化如图4 、5 所示。本算例的情况曾部分实际发生过， 根据与现场的在线测量结果比较，计算结果与实测结 果基本一致，验证了本计算模块的有效性。 时间／s 图41 号泵出口测管水头随时间的变化 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 皇 ＼ 眯 繁 图53 号泵的入口测管水头随时间的变化 4 结语 1 在建立管道浆体瞬变流控制方程与特征方程 的基础上，进行了管线安全运行仿真模拟计算软件瞬 变流计算模块的开发。 2 在多核或支持多线程C P U 的电脑上进行瞬变 流的模拟计算时，采用多线程技术可提高计算效率；采 用子线程计算时，与主线程计算相比，计算耗时明显 降低。 3 瞬变流的模拟计算结果可用于优化管线设计、 管道系统运行工艺和操作运行程序。 参考文献 [ 1 ]邹伟生．长距离管道输送发展现状及其在矿山的应用前景[ J ] ． 金属材料与冶金工程，2 0 0 9 1 5 7 - 6 0 ． [ 2 ] 邹伟生．铁精矿浆体管道输送特性研究[ J ] ．金属材料与冶金工 程，2 0 1 0 3 4 5 - 4 8 ． [ 3 ]费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[ M ] ．北京清华大学出版 社，1 9 9 4 ． [ 4 ]罗绍卓．长距离浆体管道瞬变流研究及其计算软件开发[ D ] ．长 沙湖南大学机械与运载工程学院，2 0 1 1 ． [ 5 ] 韩文亮，费祥俊，任裕民．关于浆体水击压力波波速的实验研究 [ J ] ．水力学报，1 9 9 0 1 1 4 l 一4 7 ． [ 6 ] 邹伟生．复杂地形矿浆管道安全运行关键技术研究 R ] ．长沙 长沙矿冶研究院有限责任公司，2 0 1 1 ． 上接第2 6 页 4 结论 1 低温高寒环境下，尾砂胶结充填体强度随着灰 砂比、养护时间和质量浓度的增大而增大。 2 通过建立充填体强度控制因素灰色关联模型， 计算各控制因素与充填体强度的灰色关联度，发现充 填体强度与灰砂比、养护时间和质量浓度的关联度依 次下降，说明低温高寒环境下影响充填体强度的最主 要因素为灰砂比，其次为养护时间，再次为料浆质量 浓度。 3 低温高寒环境下，当灰砂比不超过某一阈值 本文为l 6 时，充填体强度随着灰砂比增大而迅速 增大；而当灰砂比大于该阈值时，尾砂胶结充填体强度 随灰砂比增大而增大的速度随即放缓。这说明当灰砂 比达到一定程度之后其对充填体强度的影响逐渐降 低。该结论对于矿山生产具有一定的指导意义，在确 定矿山充填料浆配比时并不是灰砂比越大越好，而是 要综合考虑成本等因素，最终确定合理的料浆配比。 4 低温高寒环境下，由于水泥水化速度放缓，充 填体的前期强度普遍较低，强度增长速度较慢。这就 要求矿山合理地选择采矿方法并安排矿体回采顺序和 生产作业进度，确保安全。为提高充填体早期强度，可 考虑适当添加旱强剂。 参考文献 [ 1 ] 王新民，肖卫国，张钦礼．深井矿山充填理论与技术[ M ] ．长沙 中南大学出版社，2 0 0 5 ． [ 2 ] 刘同友．充填采矿技术与应用[ M ] ．北京冶金工业出版社。 2 0 0 1 ． [ 3 ] 刘可任．充填理论基础[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 5 ． [ 4 ] 彭继全．充填理论基础与运用[ M ] ．长沙中南工业大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 刘志祥，李夕兵．尾砂分形级配与胶结强度的知识库研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 0 1 7 9 0 1 7 9 3 ． [ 6 ] 孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵．当代胶结充填技术[ M ] ．北京冶金工 业出版社，2 0 0 2 ． [ 7 ] 曹树刚，徐阿猛，刘延宝，等．基于灰色关联分析的煤矿安全综合 评价[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 7 ，2 4 2 1 4 1 1 4 5 ． [ 8 ] 杨松林，王梦恕，周晓敏．灰色关联分析在竖井冻结壁。窗口”事 故处理中的应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 5 ，3 0 6 4 6 7 4 7 1 ． [ 9 ] 刑占利，王子云，谢君琦，等．灰色关联分析在岩体可爆性分级中 的应用[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 6 ，2 6 3 7 9 8 1 ． [ 1 0 ] 刘浪，陈建宏，杨珊，等．基于灰色关联分析的P S O - B P 算法 预测矿震危险性[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 1 l ，4 2 8 2 4 0 0 一2 绚5 ． 万方数据