转载IJMMM | 昆工程海勇教授研究梯队：脉冲泵压环境膏体管道输送阻力特性研究

Haiyong Cheng, Zemin Liu, Shunchuan Wu, Hong Li, Jiaqi Zhu, Wei Sun, and Guanzhao Jiang, Resistance characteristics of paste pipeline flow in a pulse-pumping environment, Int. J. Miner. Metall. Mater. , 30(2023), No. 8, pp. 1596-1607.

https://doi.org/10.1007/s12613-023-2644-3

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本文主要开展了复杂环管实验、数值模拟实验和微观电镜扫描实验，借助Fluent流态提取、Fluent-EDEM耦合分析和Fluent-UDF脉冲泵压环境设置等数值模拟手段，结合颗粒流动理论分析、ImageJ图像分析等研究手段，分析了不同管道布置形式的阻力特性，提出了合理的管网布置建议；利用流态特征实现了对不同管道布置形式阻力特性的量化表征；从动态层面和静态层面研究了颗粒状态和颗粒间接触力链对阻力特性的影响情况；探究了脉冲泵压对膏体流态和颗粒运动状态的扰动作用。

结果表明，膏体流动阻力与管道曲率半径、曲率和角度存在紧密联系，管道曲率半径越小、曲率越大时其水力坡度越小，上行角度管道流动阻力整体要大于下行角度管道。采用竖直下行+直管+倾斜下行的组合形式，并尽量减少弯管设置或提高弯管的曲率半径，可有效减少管道阻力损失。利用最大速度比和速度中心偏移值两个流态参数可以对管道布置形式影响进行量化表征，两参数对管道阻力特性表征相关性达到96%以上。颗粒分布状态、颗粒接触作用力会对膏体流动阻力产生影响，均匀的颗粒状态和较弱的颗粒间作用力有利于输送。颗粒运动状态会导致速度、浓度和接触力链的差异，从而导致管道的阻力特性差异。泵压脉冲可以提升流态均匀性和颗粒运动稳定性，会增加输送阻力但能提高输送流态稳定性。研究成果对实现安全、高效地膏体充填具有重要的工程意义。

泵压并不是稳定的压力值，而是在一定数值区间振荡波动，统计分析结果表明，各压力数据基本满足正态分布。

不同管道布置形式对膏体流态影响主要包括两方面，一是改变膏体的流速分布，二是改变膏体的流动中心位置，让膏体流态发生偏移。各种管道布置形式对应不同的最大速度比和速度中心偏移值，用这两个参数描述不同管道布置形式对膏体流态的影响，二者与不同管道布置下的水力坡度值拟合相关性均在0.96以上。采用最大速度比和速度中心偏移值能够较好地表征不同管道布置形式对流态和阻力特性的影响。

未添加泵送剂前，膏体颗粒接触力链较粗，力链数量较少，克服力链作用所需的剪切应力较大。添加泵送剂后，膏体颗粒接触力链变细，力链数量显著增加，且分布更加均匀，克服力链时需要的剪切应力显著降低。

在直管段，颗粒与壁面接触力链强度和力链密度较低且分布均匀。在弯管区域，力链整体强度和力链密度大于直管段，浆体对管壁的作用强烈，且主要集中在管壁外侧。强烈的力学作用，将引起管壁的剧烈磨损，增加了漏管和爆管的可能性。

在泵压扰动下流速处于周期性低流速和高流速的动态变化中。在低流速时间段里，截面流速的整体均匀性较好，高流速时间段里，径向速度梯度显著增强，对颗粒运动状态具有扰动作用，有利于消除堵管现象。但整体上看，由于弯管段速度中心外侧偏移，外侧高浓度区域沿程阻力过大，同时由于流态上的低流速、弱扰动，易造成颗粒的沉降离析，形成堵管现象。