充填工業(yè)泵泵頭內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析

曾凱 宋雷震 袁子淇 蔡永彪 段弘宇

摘 要：在礦產(chǎn)資源開(kāi)采利用的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的尾礦及采空區(qū)，尾礦的堆存及采空區(qū)的存在對(duì)生態(tài)環(huán)境存在很大的隱患，充填采礦法能夠有效解決尾礦及采空區(qū)問(wèn)題，而充填工業(yè)泵是充填采礦工藝環(huán)節(jié)中向井下泵送尾砂的關(guān)鍵設(shè)備。鑒于此，利用CFD數(shù)值模擬方法研究了充填工業(yè)泵泵送料漿過(guò)程中泵頭的內(nèi)部流場(chǎng)，通過(guò)仿真結(jié)果可以直觀地觀察泵送時(shí)泵頭內(nèi)部流體的流動(dòng)特性，為充填工業(yè)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：充填工業(yè)泵；膏體充填；數(shù)值模擬；內(nèi)部流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TD454? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0058-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.015

0? ? 引言

充填采礦法能夠減量化處置礦山產(chǎn)生的大量尾砂固廢，減少環(huán)境污染，同時(shí)防控地下采場(chǎng)圍巖失穩(wěn)和地表變形，減少礦山安全隱患，是保障礦山綠色安全高效生產(chǎn)的必要措施[1-2]。隨著充填工藝的快速發(fā)展，膏體泵送設(shè)備也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，充填工業(yè)泵是向井下高壓、長(zhǎng)距離輸送尾砂的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有方量大、揚(yáng)程高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同性質(zhì)、不同粒徑組成的尾砂輸送，在礦山行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。而泵頭作為充填工業(yè)泵的出口部件，它的通過(guò)性能一定程度上影響了泵送效率，泵頭中的錐閥密封總成等屬于易損件，其更換難度大、配件費(fèi)用高，影響了泵的維保成本。因此，有必要對(duì)充填工業(yè)泵泵頭進(jìn)行仿真分析。

本文通過(guò)SolidWorks三維建模軟件建立泵頭模型，利用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在泵送過(guò)程中泵頭的內(nèi)部流場(chǎng)特性，為充填工業(yè)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直觀的數(shù)據(jù)參考。

1? ? 充填工業(yè)泵泵頭模型建立

1.1? ? 充填工業(yè)泵主體結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，充填工業(yè)泵主要由進(jìn)料錐閥缸、出料錐閥缸、泵送活塞、水箱及主油缸等組成。在工業(yè)泵運(yùn)行過(guò)程中，出料錐閥缸關(guān)閉，進(jìn)料錐閥缸開(kāi)啟，主油缸帶動(dòng)活塞向后移動(dòng)完成吸料動(dòng)作；進(jìn)料錐閥缸關(guān)閉，出料錐閥缸開(kāi)啟，主油缸帶動(dòng)活塞向前移動(dòng)則完成排料動(dòng)作。

1.2? ? 充填泵泵頭物理模型

該泵頭是采用雙入口、單出口的簡(jiǎn)單模式，計(jì)算模型如圖2所示。1處及中軸線對(duì)稱口為入口，直徑大小為d1；2處為進(jìn)料錐閥，其閥盤(pán)直徑大小為d2；閥盤(pán)與入口接觸位置設(shè)有錐角α1，當(dāng)一側(cè)進(jìn)口錐閥閉合時(shí)則另一側(cè)進(jìn)口處錐閥處于開(kāi)啟狀態(tài)；3處為泵頭內(nèi)部腔室；4為出料油缸；5為出料口，直徑大小為d3。

利用ANSYS軟件對(duì)泵頭流道內(nèi)的流體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，經(jīng)過(guò)Space Claim對(duì)模型進(jìn)行前處理，將泵頭的流道計(jì)算域抽取出來(lái)，得到圖2（b）所示的流體域計(jì)算模型，其部分重要參數(shù)如表1所示。

2? ? 數(shù)值模擬及理論計(jì)算

在SolidWorks軟件中完成建模并將模型導(dǎo)入Space Claim中進(jìn)行前處理，抽取流體域并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的質(zhì)量決定了數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是否收斂，為提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性及收斂速度，采用ICEM-CFD對(duì)泵頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格模型如圖3所示。

高濃度尾砂可以看作是一種膏體，膏體具有濃度高、流動(dòng)阻力大的特點(diǎn)，屬于一種組成復(fù)雜的非牛頓流體。由于管道輸送技術(shù)和力學(xué)的復(fù)雜性，為了方便模擬分析，假設(shè)物料為混合均勻的連續(xù)性漿體，漿體性質(zhì)為賓漢姆塑性體，假定不可壓縮，本文對(duì)膏體的流動(dòng)采用“Bingham流體模型”，其流變方程如下：

τ2-τ0=η（1）

式中：τ2為賓漢姆流體剪切應(yīng)力；τ0為流體屈服應(yīng)力；η為粘度系數(shù)；dγv/dy為剪切速率；y為流體上下平行層間的距離。

為了體現(xiàn)膏體物料的高黏性與屈服應(yīng)力，本次數(shù)值模擬中采用簡(jiǎn)單的雙參數(shù)Bingham流變模型作為高濃度尾砂料漿混合液的流變學(xué)模型。

泵頭工況的邊界條件設(shè)置如下：

1）料漿入口：設(shè)置為速度入口，速度大小為0.3 m/s。

2）料漿出口：設(shè)置為壓力出口，出口壓力的表壓強(qiáng)為3.5 MPa。

3）泵頭壁面：設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。

整體流域采用多面體網(wǎng)格劃分，達(dá)到相同計(jì)算精度所需要的網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)較少，收斂速度更快。網(wǎng)格數(shù)量515 883個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量增加到1 031 766，數(shù)值解誤差為2.41%，表明網(wǎng)格劃分可以獲得穩(wěn)定收斂，且不受網(wǎng)格密度影響。

在研究尾砂這類多相固液混合物流動(dòng)特性時(shí)，可以采用多相流數(shù)值模擬方法，模擬多相流的方法一般有VOF模型、MIXTURE模型、EULER模型等，而尾砂漿體是顆粒相與水泥砂漿混合形成的類似膏體的流體，與MIXTURE模型的特性相符，因此在CFD計(jì)算中采用MIXTURE模型求解。

尾砂混合流體中，固相的體積分?jǐn)?shù)一般在65%左右，且在兩相流中呈懸浮狀態(tài)，符合Gidaspow拖拽模型的特點(diǎn)。Gidaspow拖拽模型中固液兩相之間的交換系數(shù)KSL計(jì)算如下：

KSL=150（1-αL）+（2）

式中：αS、αL分別為固相和液相的體積分?jǐn)?shù)；μL為液相粘度系數(shù)；dS為固相顆粒直徑；ρ為液相密度；vS為固相顆粒的矢量速度；vL為液相的矢量速度。

離散方面采用了基于壓強(qiáng)-速度關(guān)聯(lián)算法的phase coupled simple算法和一階迎風(fēng)離散格式。

在Fluent求解器中選用MIXTURE兩相流模型，設(shè)置第一相的密度為1 600 kg/m3，動(dòng)力粘度為21 Pa·s，第二相設(shè)為顆粒相，設(shè)置顆粒直徑為5 mm，密度為2 800 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為0.65。

3? ? 仿真結(jié)果及分析

充填料漿從泵頭入口處由活塞擠壓進(jìn)入泵頭腔室內(nèi)，由于泵送平緩，料漿體受到的剪切力始終低于屈服應(yīng)力，此時(shí)料漿體可以視作一種賓漢姆塑性體，均勻地分布在泵頭內(nèi)腔。充填料漿顆粒相質(zhì)量流量分布云圖如圖4所示。

從整體上看，膏體料漿的顆粒相密度分布均勻，圖中截面位置上的顆粒相質(zhì)量流量分布情況的形成是由于泵送過(guò)程中尾砂會(huì)受到泵壓的影響，從而分離出部分細(xì)粒級(jí)含水砂漿并遷移至泵頭壁面處，形成尾砂的保護(hù)層，有利于含粗骨料膏體料漿的管道帶壓輸送。整個(gè)腔體內(nèi)的密度分布仍然存在明顯差異，料漿入口處密度最大，隨著通徑的增大，粗骨料顆粒開(kāi)始向泵頭相鄰側(cè)通道擴(kuò)散，并且由于受重力作用有向底部沉積的趨勢(shì)。

根據(jù)流體力學(xué)可知，流體具有流動(dòng)性，流體微團(tuán)在受力后會(huì)發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，宏觀的表現(xiàn)就是充填漿體產(chǎn)生變速、回旋等作用，部分漿體會(huì)在腔內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成漩渦，還有部分漿體會(huì)因速度方向的改變，對(duì)泵頭內(nèi)部產(chǎn)生碰撞。泵頭內(nèi)腔料漿速度矢量圖如圖5所示。由于漩渦處的物料速度遠(yuǎn)小于主通道處，帶壓物料會(huì)對(duì)漩渦區(qū)的物料產(chǎn)生卷吸作用，帶動(dòng)部分細(xì)粒級(jí)物料進(jìn)入管道，從而使粗骨料失去細(xì)顆粒的包裹，暴露在泵斗腔體內(nèi)，失去流動(dòng)性，產(chǎn)生物料堆積的問(wèn)題。泵頭腔體通徑的明顯變化會(huì)增加漩渦區(qū)的產(chǎn)生。

速度云圖如圖6所示，料漿速度場(chǎng)的分布直接反映了泵頭內(nèi)部充填料漿的流動(dòng)狀態(tài)。泵頭內(nèi)閥門(mén)開(kāi)啟的主流道中料漿流體運(yùn)動(dòng)速度先減小再逐漸增大，壁面邊界處的料漿流速趨于零，遠(yuǎn)離軸線連線方向的流體由于黏性作用未產(chǎn)生明顯滑移，速度趨于零。整體的速度分布規(guī)律基本符合Bingham體。腔體壁面主要是由細(xì)顆粒與膠固粉混合的漿體組成，粘度系數(shù)大，所以泵送阻力高，料漿在近壁面處的流速明顯降低。而中間區(qū)域的粗顆粒骨料其粘度系數(shù)小，泵送阻力低，在液壓推力的作用下，料漿整體做加速運(yùn)動(dòng)，出口收縮段速度較大，在泵主缸往復(fù)作用下會(huì)在出口處產(chǎn)生周期性疲勞磨損，速度梯度的產(chǎn)生也會(huì)加劇粗顆粒與含水砂漿之間的分離，從而引起粗顆粒在泵頭出口端的淤積堵塞。

4? ? 結(jié)論

本文在對(duì)充填泵泵頭進(jìn)行模型簡(jiǎn)化并合理設(shè)置邊界條件的情況下進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了泵頭在正常工況下的流場(chǎng)。綜合分析流場(chǎng)結(jié)果，在泵頭的流場(chǎng)分布及性能改進(jìn)上有以下結(jié)論：

1）從速度云圖及速度矢量圖可以得出，料漿體碰到表面尖銳不規(guī)則處會(huì)產(chǎn)生漩渦區(qū)，且流體的運(yùn)動(dòng)速度加快，這些位置的磨損要比其他區(qū)域更為劇烈。

2）泵頭腔體運(yùn)用流線型設(shè)計(jì)可以較好地改善泵頭的通過(guò)性能，流道內(nèi)角度的緩慢變化可以減少漩渦區(qū)的產(chǎn)生，從而降低物料離析沉積的概率。

3）流道截面形狀及通徑的變化會(huì)導(dǎo)致料漿顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生渦旋，增加壓力損失，并且有粗顆粒堆積堵塞出口的風(fēng)險(xiǎn)。

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收稿日期：2023-10-08

作者簡(jiǎn)介：曾凱（1998—），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。