基于ANSYS的充填管道系統(tǒng)優(yōu)化模擬

侯志明 侯志超 王新喬

(山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

·材料·裝備·

基于ANSYS的充填管道系統(tǒng)優(yōu)化模擬

侯志明 侯志超 王新喬

(山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

以玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)充填管道系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS有限元軟件中的FLUENT模塊，分別從料漿濃度、輸送速度、管道直徑等3個(gè)方面建立了不同的模擬模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)該礦區(qū)現(xiàn)有的充填系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明：①料漿濃度對(duì)管道壓力的影響并不明顯，全程最大輸送速度均出現(xiàn)在管道轉(zhuǎn)彎處；②輸送速度對(duì)管道運(yùn)輸?shù)难爻套枇p失影響較大，流速越大管道阻力損失也越大；③管道直徑對(duì)管道阻力損失的影響最為顯著，但在一定范圍內(nèi)管徑對(duì)管道阻力損失的影響較小?；谏鲜鼋Y(jié)論，針對(duì)東風(fēng)礦區(qū)現(xiàn)有充填系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的管道系統(tǒng)優(yōu)化布置方案，為確保該礦區(qū)安全生產(chǎn)提供參考。

ANSYS FLUENT 充填管道 管道運(yùn)輸系統(tǒng) 優(yōu)化模擬

玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)現(xiàn)有的充填系統(tǒng)管道運(yùn)距遠(yuǎn)、落差大，管道內(nèi)漿料壓力高、流速快、運(yùn)輸管道內(nèi)磨損較嚴(yán)重。由于充填漿料的運(yùn)輸為兩相流，部分變徑管道內(nèi)產(chǎn)生了極復(fù)雜的流體力學(xué)行為，導(dǎo)致變徑管初始段產(chǎn)生負(fù)壓，出口端壓力極高，造成管道無(wú)法承受壓力而產(chǎn)生爆管，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)。因此有必要對(duì)該礦區(qū)現(xiàn)有的充填管道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 充填系統(tǒng)驗(yàn)證

玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)充填鉆孔深531 m，-300 m中段管道長(zhǎng)257 m，-300～-340 m中段管道長(zhǎng)360 m，-340～-380 m中段管道長(zhǎng)102 m，-380 m 中段水平管道長(zhǎng)160 m，-380～-420 m 中段管道長(zhǎng)40 m，-420～-470 m中段管道長(zhǎng)189 m，模擬部分管道總長(zhǎng)1 639 m。彎管部分按距等分，每等分距離為0.002 m，其余管道等分距離為0.005 m。在ANSYS軟件的Workbench模塊中建立幾何模型，利用ICEM劃分網(wǎng)格，設(shè)置求解參數(shù)及計(jì)算條件并求解，得到管道輸送系統(tǒng)的幾何模型(圖1)及幾個(gè)典型轉(zhuǎn)彎處的料漿流速分布圖(圖2)。

圖1 東風(fēng)礦區(qū)管網(wǎng)輸送系統(tǒng)幾何模型

圖2 彎管處流速分布

由圖1、圖2可知：在管道轉(zhuǎn)彎半徑較小的彎角處漿料流速較慢，極易發(fā)生堵管，如-300～-340 m中段彎管處最為明顯?！癐nlet”和“Outlet”的垂直高差701 m，重力加速度產(chǎn)生的壓強(qiáng)12.3 MPa，壓強(qiáng)損失4.41 MPa，出口壓強(qiáng)7.89 MPa，由重力產(chǎn)生的壓強(qiáng)較大，彎管處易出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。對(duì)比東風(fēng)礦區(qū)充填系統(tǒng)的前期調(diào)查資料可知，模擬結(jié)果與現(xiàn)有管道運(yùn)輸系統(tǒng)情況基本一致，由于管內(nèi)壓力大，管道磨損嚴(yán)重，部分中段出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

2 管道輸送系統(tǒng)模擬優(yōu)化

2.1 料漿濃度模擬優(yōu)化

為模擬料漿濃度對(duì)管道輸送參數(shù)的影響，選取4類不同質(zhì)量濃度的料漿模擬其流動(dòng)特性，并將料漿進(jìn)口速度設(shè)定為3.0 m/s，管道直徑設(shè)定為110 m，料漿基本性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

由于ANSYS模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)的復(fù)雜性成反比，本研究模擬主要考慮濃度對(duì)管道輸送參數(shù)的影響，故將模型簡(jiǎn)化為L(zhǎng)彎管進(jìn)行模擬，并將充填料漿材料特性參數(shù)添加至求解器，運(yùn)行FLUENT模塊運(yùn)算求解，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

表1 不同質(zhì)量濃度充填料漿的基本性質(zhì)參數(shù)

圖3 各濃度料漿進(jìn)口處流速分布

圖4 各濃度料漿出口流速分布

圖5 各濃度料漿彎管處流速分布

根據(jù)圖3～圖6，提取了管道最大壓力及全程最大流速，見(jiàn)表2。

由圖3～圖6、表2可知：隨著充填料漿質(zhì)量濃度的增大管道內(nèi)的沿程最大壓力也逐漸增大，但壓力增幅并不明顯，質(zhì)量濃度與管道最大壓力之間基本成線性關(guān)系；全程最大流速都出現(xiàn)在管道轉(zhuǎn)彎處，且偏近管道轉(zhuǎn)彎內(nèi)壁一側(cè)，可能是由于料漿在此處陡然轉(zhuǎn)彎，后續(xù)料漿未能及時(shí)跟進(jìn)，導(dǎo)致出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)管道磨損相當(dāng)嚴(yán)重，應(yīng)加以防止?？紤]到東風(fēng)礦區(qū)現(xiàn)有充填管道系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇質(zhì)量濃度為70%的充填料漿較為合適。

圖6 各濃度料漿出料口流速分布

表2 管道參數(shù)

2.2 料漿流速模擬優(yōu)化

充填料漿流速是充填管道運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，料漿流速過(guò)小既無(wú)法滿足礦山充填要求，也會(huì)導(dǎo)致料漿骨料淤積管底，產(chǎn)生堵管現(xiàn)象；料漿流速過(guò)大易加劇管道磨損，故選擇合適的充填料漿流速十分必要[1-6]?？紤]到玲瓏金礦的實(shí)際情況，分別模擬了2.0，2.5，3.0，3.5 m/s等4類料漿流速，將料漿濃度設(shè)定為70%，管道半徑設(shè)定為110 mm，此時(shí)充填料漿管道輸送的流動(dòng)形式仍為紊流，設(shè)置對(duì)應(yīng)的料漿參數(shù)后，運(yùn)行FLUENT模塊運(yùn)算求解，結(jié)果見(jiàn)圖7，沿程阻力損失及全程最大速度等參數(shù)見(jiàn)表3。

圖7 不同料漿流速?gòu)澒苣M結(jié)果

表3 不同料漿流速模擬優(yōu)化結(jié)果

由圖7、表3可知：充填管道內(nèi)料漿流速對(duì)管道內(nèi)阻力損失的影響較大，當(dāng)料漿流速?gòu)?.0 m/s增加至3.5 m/s時(shí)，沿程阻力損失從2.43 MPa增長(zhǎng)至4.42 MPa，且二者并非成線性關(guān)系，因此考慮到保證充填能力的情況下，管內(nèi)料漿流速取3.0 m/s較為適宜。

2.3 管道直徑模擬優(yōu)化

本研究模擬的管道直徑分別為80，110，120，150 mm，充填料漿濃度取70%，料漿流速取3.0 m/s，運(yùn)行FLUENT模塊運(yùn)算求解，模擬結(jié)果見(jiàn)圖8，管徑分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖8 不同管徑彎管模擬結(jié)果

表4 不同管徑模擬優(yōu)化結(jié)果

由圖8、表4可知：管道直徑對(duì)管道內(nèi)阻力損失的影響較大，管徑越大阻力損失越小，但二者之間并非成線性關(guān)系，通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)，110，120 mm 2組管道直徑的模擬結(jié)果相對(duì)接近，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)管徑對(duì)管道壓力的影響較小，綜合考慮模擬結(jié)果和經(jīng)濟(jì)因素，選取直徑為110 mm的管道最為適宜。

3 管道系統(tǒng)優(yōu)化布置方案

針對(duì)玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)充填管網(wǎng)壓力過(guò)高的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)有管道的壓力分布進(jìn)行計(jì)算分析和方案比較，選擇在-300 m中段設(shè)置環(huán)管以降低管道內(nèi)的壓力,環(huán)管長(zhǎng)252 m，管道輸送阻力增大0.509 MPa，環(huán)管部分有4處彎管，計(jì)算得到輸送阻力可增大0.814 MPa，平均管道阻力增大0.496 kPa/m，彎管最大壓力可減少0.263 MPa，降壓后彎管最大壓力為7.923 MPa，最大工作流速控制在4 m/s以下，符合管道設(shè)計(jì)要求。降壓后管道壓差分布見(jiàn)圖9。

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用ANSYS有限元軟件中的FLUENT流體動(dòng)力學(xué)模塊，分別從料漿濃度、料漿輸送速度、管道直徑等3個(gè)方面對(duì)玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)的管道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，并給出了管道系統(tǒng)優(yōu)化布置方案，為確保礦區(qū)生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供參考。

[1] 劉 誠(chéng)，沈永明，劉曉平.方管內(nèi)固液兩相流時(shí)均運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值研究[J].泥沙研究，2007(4)：10-16.

[2] 劉永兵，陳紀(jì)忠，陽(yáng)永榮.管道內(nèi)液固漿液輸送的數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006(5)：858-863.

[3] 王春林，馬慶勇，李婷婷，等.攪拌漿液池固-液兩相流攪拌的數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械，2007(6)：38-41.

[4] 曾 鳴，徐志強(qiáng)，皇甫京華，等.射流浮選柱的兩相流數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008(7)：794-798.

圖9 -300 m中段料漿輸送管道壓力分布

[5] 高貴軍，寇子明，董憲姝.選煤廠濃縮池沉降規(guī)律的多相流仿真[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010(S)：210-213.

[6] 李 昳，何偉強(qiáng)，朱祖超，等.脫硫泵固液兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬與磨損特性[J].排灌機(jī)械，2009(2)：124-128.

Optimized Simulation of Filling Pipelines System Based on ANSYS

Hou Zhiming Hou Zhichao Wang Xinqiao

(Shandong Gold Mining (Linglong) Co., Ltd)

Taking the filling pipelines system of Dongfeng mining area of Linglong gold mine as the research example, based on the FLUENT module of ANSYS finite element software, the different simulation models are established respectively from the aspects of the slurry concentration, conveyor speed and pipe diameter to conduct numerical simulation research, and the existing filling system of Dongfeng mining area is also conducted simulation verification. The result show that:①the influence of slurry concentration to pipeline pressure is not significant, the maximum conveyor speed of the entire course is appeared in the location of pipeline bend; ②the influence of conveyor speed to the frictional resistance loss of pipeline transportation is significant, the greater of flow velocity, the bigger of resistance loss; ③the influence of the pipeline diameter to pipeline resistance loss is most significant, but the influence of pipeline diameter to pipeline resistance loss is small. Based on the above conclusions,according to the actual situations of the existing filling system of Dongfeng mining area, the corresponding optimization scheme of pipelines system is proposed to provide reference for the safety production of the Dongfeng mining area.

ANSYS,FLUENT, Filling pipeline, Pipeline transportation system, Optimization simulation

2015-07-14)

侯志明(1986—)，男，助理工程師，265400 山東省招遠(yuǎn)市。