矿山管道系统CFD浓度优化模拟研究
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摘要：通过ANSYS软件中FLOTRAN CFD分析功能，本文以南方某铜矿全尾砂胶结充填为工程实例，从40%，55%，70%三种输送浓度对充填管道自流系统进行优化仿真模拟，研究结果表明：在同一充填倍线情况下，浓度的变化对其水力坡度影响较小，出口速度几乎相同，但总体而言出口速度呈减小趋势。进一步得出管道输送最大流速、出口流速及阻力损失等相关参数，为该矿充填料浆输送提供理论依据与技术支持。
关键词：CFD分析；管道自流；浓度；优化模拟
引言
矿山管道充填输送充填料浆主要有自流和泵压两种方式，自流输送时，若遇到充填倍线大的地方，只能采用低浓度输送，给矿山充填工作带来了诸多不便。常伴随水泥流失、料浆离析、排水费用增加、井下环境恶劣等 问题的出现。而高浓度膏体泵压充填不受充填倍线的限制，但常出现料浆堵管、密封装置坏损严重、系统故障多等现象 。本文采用有限元ANSYS软件，对充填管道进行相关参数的数值仿真模拟，研究在40%，55%，70%三种不同料浆浓度下，充填管道内料浆的运动规律，得出管道最大流速、出口流速及阻力损失等相关参数，为南方某铜矿全尾砂胶结充填料浆输送理论与技术提供一种新的研究方法。
1、基于FLOTRAN建立管道模型
1.1ANSYS FLOTRAN简介
ANSYS软件中FLOTRAN cfd分析功能是用于分析二维及三维流体流动场工具，FLOTRAN CFD有两种分析单元，一种是二维平面的FLUID141单元，另一种则是三维立体空间的FLUID142单元。本文只采用了FLUID141单元，该单元呈四节点四边形或三节点三角形两种分布特征；包括速度、温度、压力、紊流动能、紊流能量耗散等六种流体不同自由度在各自质量所占的份额 。
ANSYS中FLOTRAN分析主要步骤如下：（1）管道实体模型建立；（2）管道有限元模型建立；（3）边界条件设定；（4）求解分析。
1.2ANSYS FLOTRAN管道模型建立
该矿实际井下管道布置为：西部充填站西风井-75m中段83线穿脉口81线回风道81线穿脉81线顶板上山-73.8m分层充填平巷-73.8m分层充填穿脉各单元采空区。经测量得出L = 743.36m，H = 144.13m。故77线以东充填倍线为5.16。
由于ANSYS软件的一些局限性以及矿山充填管道输送的情况较复杂，在定性分析时，管道简化为垂直高度144m，水平长度599m，管径0.13m，几何倍线5.16。
2、求解Solution及后处理
求解包括以下几项内容，一是设置边界条件，二是设置求解选项和流体特征，以及流体环境和求解迭代次数。
设置边界条件：（1）设置料浆进口速度(Velocity)边界条件：速度分量VY为实际流速，速度分量VX、VZ都为0；（2）设置管道壁面的速度边界条件：将所有速度分量都设为0；（3）设置出口壁面压力边界条件：出口壁面压力为0。
设置求解先选和流体特征：（1）设置分析类型：在Laminar or turbulent选项中，根据流速，管径，以及粘滞系数计算出流体的雷诺数，若雷诺数大于2300，选择turbulent，否则选Laminar模型；（2）设置流体特征：密度Density及黏度viscosity；（3）设置流体环境：Y方向的重力加速度为-9.8。（4）设置求解的迭代次数：设置迭代次数为45。
设置完成，点击RUN FLOTRAN即可求解运算。
该矿采用全尾砂胶结充填，泵压输送充填料浆。根据现场调配好的三种浓度方案： 40%，55%，70%。分别对其浆体密度进行计算，得出各方案浆体密度见表1中所示。对各浓度料浆进行测量，测量过程由矿山技术人员完成，测得各方案粘度系数分别为0.104，0.112，0.120。另外，经计算得到各方案的流体雷诺数分别为3510，3840，4364，流态分析类型均为紊流分析turbulent。
模拟结果分析：
（1）流速分析40%方案垂直末端的最大流速为2.702 m/s，55%方案垂直末端的最大流速为2.691 m/s，70%方案垂直末端的最大流速为2.699 m/s。由于初始速度设置均为2.0 m/s，各方案的最大流速相差不大。
（2）压力分析因为出口壁面压力初始设置为0，故进口的压力就是整个管道在料浆输送过程中的阻力损失量。从三个总压力图可见，压力损失最大为0.4634MPa，最小为0.3415MPa，相差0.1219MPa。
（3）浆体浓度对阻力损失的影响在同一充填倍线和进口速度的前提条件下，随浆体浓度的增大，阻力损失不断增大。
4、结论
（1）在进行矿山管道充填作业时，进口流速、浆体密度和粘度、管道充填倍线、管径对充填料浆输送和水力坡度具有一定影响。
（2）在管道拐弯处，流速对管道冲击严重，易造成密封装置坏损严重。管道沿程流速除出入口和弯管处发生变化外，基本稳定在1.881-2.089m/s，分布均匀，充填浆体到达出口时，流速减缓。
（3）在同一充填倍线情况下，浓度的变化对其水力坡度影响较小，出口速度几乎相同，都在1.901~1.920 m/s之间，接近进口初始流速2.0m/s，但总体而言出口速度呈减小趋势。出现这种现象的原因可能有两方面：其一，浓度的增大导致粘度系数的增大，低浓度料浆在管道输送中的损失较多。其二，由于浓度的增大，造成了垂直管道中的自然压头的增大，水头损失并不明显。
（4）浓度调高后，70%方案的最大阻力损失为0.4634MPa，而经计算得到-75m自然压头为3.039MPa。因此在该充填倍线情况下能够保证浆体自流。
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