[發明專利]膏體充填管道沖蝕的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201811117417.0
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109117596B
• 公開（公告）日: 2023-02-14
• 發明（設計）人: 竇國語;郭客;吳迪;王忠紅;戴若丁;牛文杰;劉峰
• 申請（專利權）人: 鞍鋼集團礦業有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 鞍山貝爾專利代理有限公司 21223
• 代理人: 顏偉

1.一種膏體充填管道沖蝕的數值模擬方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1)對目標膏體充填料漿進行密度試驗，根據試驗數據得到不同濃度和不同灰砂比條件下的料漿密度；

步驟2)對目標膏體充填料漿進行流變試驗，根據試驗數據計算目標充填料漿的屈服應力和表觀粘度，擬合得出目標充填料漿的粘度與剪切速率間的關系式；

步驟3)根據流體力學運動方程建立目標膏體充填料漿管道流動的數學模型，求解膏體充填料漿管道流動的數學模型，得到膏體充填料漿在管道流動過程中速度和壓力的變化規律；

步驟4)根據已有的侵蝕模型建立膏體充填管道侵蝕的數學模型，以步驟3)的計算結果為初始值進行計算，得到不同侵蝕模型下的管道侵蝕率，便于對比驗證計算的準確性，

所述的步驟1)包括以下步驟：

Ⅰ)對目標充填尾砂進行粒度分析，采用激光粒度分析儀進行；

Ⅱ)對目標充填尾砂和膠凝材料進行密度測量，采用密度計進行；

Ⅲ)對目標膏體充填料漿進行密度計算，采用加權計算的方式進行，

所述的步驟2)包括以下步驟：

Ⅰ)計算不同濃度和灰砂比的膏體充填料漿的用料量；

Ⅱ)對目標膏體充填料漿進行流變試驗，采用旋轉流變儀進行；

Ⅲ)將流變試驗數據進行處理，得到目標膏體充填料漿的屈服應力、表觀粘度以及粘度隨剪切速率變化的關系式，

Ⅲ)中的粘度數據擬合模型為非牛頓Carreau模型：

式中，μ₀為零剪切粘度，

μ_inf為無限大剪切速率粘度，

λ為稠度指數，

n為流動指數，

上述各參數由試驗數據經擬合得到，

所述的步驟3)包括以下步驟：

Ⅰ)根據膏體充填料漿的特點，提出建立膏體充填料漿管道流動數學模型的四個基本假設條件：

①膏體充填具有不易發生離析和沉淀的特點，因此將充填料漿看成是均勻連續介質來研究；

②各個方向的力學性質相同；

③漿體在流動過程中是不可壓縮的；

④考慮漿體的重力；

Ⅱ)基于假設條件，依據流體流動的連續性方程、能量守恒方程建立目標膏體充填料漿管道流動的數學模型；

Ⅲ)將數學模型導入有限元軟件COMSOL Multiphysics的CFD模塊，利用其強大的網格劃分能力進行網格劃分；

Ⅳ)采用COMSOL的穩態求解器對目標膏體充填料漿管道流動的數學模型進行求解，得到目標膏體充填料漿管道流動的速度和壓力分布規律，

所述的Ⅱ)步驟中數學模型的建立包括以下步驟：

①由于漿體是不可壓縮的均質體，密度為常數，故連續性方程為：

式中，u、v、w為速度矢量沿x、y、z軸的三個速度分量；

②流體的運動方程為：

式中，X、Y、Z分別表示流體微元在x、y、z方向上的面力，p為表示流體微元受到的面力的合力，ρ為流體的密度，μ是流體粘度；

③在膏體充填料漿輸送過程中，伯努利方程是決定料漿運動過程中能量間相互關系的重要公式，按照能量守恒原理，膏體充填料漿為均質流，則可按照均質流體導出伯努利方程式：

式中，z₁、z₂為單位流體的位置，p₁、p₂為流體在位置z₁、z₂處的壓力，γ_ρ為料漿的容重，v₁、v₂為料漿在z₁、z₂處的流速，H_1-2為單位能量損失，

所述的步驟4)包括以下步驟：

Ⅰ)根據膏體充填料漿的特點，提出建立膏體充填料漿管道磨損數學模型的兩個基本假設條件：

①膏體充填具有不易發生離析和沉淀的特點，因此將充填料漿看成是均勻連續介質來研究；

②將料漿中的粗顆粒作為離散相，利用粒子追蹤模型模擬目標膏體充填料漿對管道的磨損特性；

Ⅱ)基于假設條件，建立目標膏體充填料漿對管道磨損的數學模型；

Ⅲ)將數學模型導入有限元軟件COMSOL Multiphysics的粒子追蹤模塊，利用其強大的網格劃分能力進行網格劃分；

Ⅳ)將所述步驟3)的計算結果作為初始值對目標膏體充填管道侵蝕的數學模型進行求解，得到目標膏體充填管道的磨損率，

所述Ⅱ)步驟中數學模型建立包括以下步驟：

①粒子的動量守恒方程為：

式中：m_p為粒子的質量，v為粒子的速度，F_D為流體對粒子的拖曳力，F_g為粒子的重力，

式中：t為粒子的作用時間，v_f為流體的流速；

②管道的磨損關系式：

式中，E_M為粒子對管道的侵蝕，E_Mj為每個粒子對管道的侵蝕，

按照DNV模型，則有：

式中，K為DNV模型系數，n為DNV模型指數，α_i為粒子的沖擊角。