泥浆管道输送特性的CFD模拟

方案

人口：速度人口，速度和每相的体积分数都指定为具体值。出口：压力出口，压强设定为大气压。管壁：壁面采用无滑移条件。采用商业CFD软件Fluent求解上述边界条件和湍流模型的方程组，残差值类型为均方根残差值，收敛残差均选取10-5。为确保足够精确、稳定和迭代过程收敛，动量方程求解中采用QUICK方法，其他方程均采用二阶迎风方法。

3 Durand模型

Durand模型将两相流的阻力损失Jm表示为清水阻力损失Jo和附加阻力损失Js两部分之和，即式中：K为模型系数，在标准Durand模型中取180；Cv为颗粒体积浓度：w为颗粒沉降速度；d50为中值粒径；λ为清水沿程阻力系数；v为浆体流速。

4 结果与分析

图2为Al工况下沿管道轴向八等分处各横断面垂直中心线上的颗粒速度曲线和体积浓度曲线。其中纵坐标y’为无量纲垂直位置（y’= y/D，即在管道中的高度与管径之比，其值在管道顶端为1，底部为0）。由图2可知，第1到第3个截面上的颗粒流速和体积浓度均发生了明显变化，第4到第8个截面位置的曲线已几乎一致，故在这个区域管道内流态得到了充分发展。为保证分析结果的准确可靠性，后述的体积浓度和速度模拟值在管道出口处获得，压力监测断面选在管道出口和距出口1m处截面。

4.1 颗粒体积浓度分布

颗粒体积浓度分布是泥浆管道输送中预测管道磨损的重要因素，管道中固体颗粒的浓度分布规律与许多因素都有关，如泥浆浓度、泥浆流速、管道直径、颗粒粒径等。图3和图4分别为粒径dp=90、270 μm的泥浆在管径103 mm管道中流动时的颗粒体积浓度模拟值与R.G.Gillies等实测值的对比，可以看出模拟值与实测值表现出良好的一致性。图5和图6分别为Al、Bl 工况下颗粒体积浓度分布云图，可以看出颗粒在水平方向上几乎呈对称分布，在垂直方向上表现为上半部分浓度较低，下半部分浓度较高。当颗粒浓度增大时，可以观察到体积浓度曲线的对称度升高，原因是颗粒体积浓度增大后增强了颗粒间运动的相互影响作用。对于较大粒径（270μm）的颗粒，在管道底部的近壁面处观察到体积浓度曲线出现了反折，即近壁面处颗粒浓度降低，最大浓度点上移，在试验中该区域的数据并未采集到。这主要与前面提到的近壁面升力有关，由于颗粒的粒径大于黏性次层厚度，因此在液相中受到剪切力而产生了垂直于相对运动方向的运动。

图7为B5 工况下垂直中心线上颗粒体积浓度的模拟值，与B4 工况相比流速降低为1.8 m/s，y ’≤0.1区域的浓度曲线反折程度降低，颗粒体积浓度明显变大，其原因可能是流速降低后管道内湍流强度降低，导致升力降低。图8为B6 工况下颗粒体积浓度的模拟值，与B3 工况相比可以看出，管道内径增大为900mm，在管道底部浓度曲线没有出现反折，最大浓度点在管道最底部，原因是随着管径的增大，临界流速增大，颗粒沉降运动的影响增强，而升力对泥沙颗粒的作用相对变弱，在沉降作用的主导下浓度最大点出现在管道的底部。

图9为粒径440μm的泥浆在管径50mm管道中流动时的颗粒体积浓度曲线，可以看出在垂直中心线上，颗粒体积浓度呈不对称分布，随着流速增大，體积浓度曲线的对称度升高，原因是泥浆的湍动会引起颗粒悬浮，而混合物流速越大流体湍动能越大。

4.2 速度分布

由图10、图11可知，Al 工况下模拟值与实测值符合较好，泥沙颗粒速度在水平和垂直方向上都接近于对称分布。

图12为粒径为270μm、体积浓度分别为0.1、0.2、0.3的泥浆在垂直中心线上颗粒速度的分布曲线，可以看出速度呈不对称分布，且不对称度随着颗粒浓度的增大而变大。结合图4中270μm颗粒的浓度分布曲线可知，随着泥浆浓度增大，管道下半部的泥沙颗粒变得更多，使得管道下部颗粒运动的阻力增大。图13为不同流速下粒径440μm的泥浆在垂直中心线上颗粒速度的分布曲线，可以看出速度近似呈对称分布，速度最大点在管道中心，其原因可能是440μm粗颗粒受重力的影响更大，向下运动的速度分量变大，粗颗粒在管道底部受到更大升力使得向上运动的速度分量变大，颗粒的径向运动削弱了底部阻力对流速的影响。由图13还可以看出，当浓度不变而流速变大时，速度分布的对称性与速度最大点位置均无明显变化。

4.3 压降

从图14可知，泥浆压降的CFD模拟值和Durand模型计算值的变化趋势均与实测值相吻合，CFD模拟值较Durand模型计算值更接近实测值。对于同一颗粒粒径的泥浆，当流速相同时压降随着浓度变大而增加，且270μm颗粒泥浆较90μm颗粒泥浆压降随浓度变大增加更迅速。当粒径为440μm时，压降的变化趋势与90、270μm的相似（图略）。

此外还可以发现，Durand模型的计算结果均较实测值偏大，其原因是Durand模型的理论基础是重力理论，出发点是使全部颗粒进行悬浮输送，使得模型计算时夸大了泥浆流动的能量损耗，导致模型计算的阻力损失偏大。

5 结论

（1）对于水平管道中的泥浆两相流问题，使用欧拉双流体模型能够很好地模拟管道内的流动状态。颗粒浓度分布、速度分布以及阻力损失的模拟值均与实测值表现出良好的一致性。

（2）在管道垂直中心线上颗粒浓度呈不对称分布，且不对称度随着颗粒浓度增大或泥浆流速变大而降低。粒径较大的粗颗粒在升力作用下，浓度曲线在管道底部近壁面处出现反折。当流速降低或管径增大时，颗粒沉降作用影响更明显，浓度曲线在管道底部的反折现象消失。

（3）颗粒速度分布主要受浓度分布影响，颗粒速度分布在垂直方向上的不对称度随着颗粒浓度增加而变大。当浓度不变而流速变大时，速度分布的对称性与速度最大点所处位置均无明显变化。

（4）在Durand模型的适用范围内，CFD模拟值和Durand模型计算值的变化趋势均与实测值相吻合。CFD模型由于更全面地考虑了相间作用力、更准确地描述了固液两相流的湍流特性，因此其计算结果较Durand模型更接近实测值。