管道输送深冷惰气浆液压力损失的数值模拟

张辛亥 张国伟

（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054）

矿井火灾是影响我国矿井安全生产的主要因素，直接影响矿山的发展。矿井一旦发生火灾事故将会造成生产停滞，破坏生产设备，甚至造成人员伤亡。因此对于矿井火灾的原因和防治手段进行探讨具有重要的意义[1,2]。

在固体松散火区内灌注深冷惰气浆液，使二氧化碳以固体颗粒的形态附着于自燃煤体表面进行降温降氧。该技术在美国用于处理矿井及矸石自燃火灾，取得了良好的效果[3,4]。

因此，本文研究干冰颗粒与液氮组成的深冷惰气浆液在水平管道中输送过程中的压力损失特性，主要采取Fluent 软件中的DDPM-DEM 模型来实现固液俩相流输送段的数值计算，该软件基于计算力学与离散元的耦合计算，在文中需要考虑干冰颗粒与液氮之间作用力的影响。

1 固液俩相流理论及管道输送压力损失理论

1.1 固液俩相流理论

深冷惰气浆液中的流体介质为液氮，将液氮视为不可压缩流体，液氮的流动遵循流体力学中各种物理守恒定律。深冷惰气浆液的固相介质为干冰颗粒，干冰颗粒在流体运动过程中受到重力，阻力，虚拟质量力等。在管道流动的过程中，干冰固体颗粒与液氮之间的相互作用影响干冰颗粒的运动规律。

1.2 管道输送压力损失理论

深冷惰气浆液在管道中输送的能量损耗的形式及特点与其他固液两相流流体相同。深冷惰气浆液在管道输送时的能量损失有以下三种，深冷惰气浆液的位能损失、动能损失及深冷惰气浆液的机械能损失。若将深冷惰气浆液视为不可压缩流体，管长为L 的总阻力损失，可表示为：

1.3 临界流速

深冷惰气浆液在水平管道中的输送过程中，干冰颗粒受到重力的作用，在管道底部容易出现颗粒的堆积，从而造成深冷惰气浆液干冰颗粒的堵管，引发管道输送系统的安全问题，因此先确定深冷惰气浆液水平管道的临界流速问题，再进行阻力损失特性研究。

在对于临界流速的研究中，国内外都有深入的研究[5]，并且根据其实验结果得到临界流速公式如下，

适用范围：

其中d 为干冰颗粒的粒径，mm。D 为管道管径，mm。s 为固体颗粒密度与液体密度之比。

针对文中的工况：d=3mm，D=100mm，Cv=0.25，ρw=806.08kg/m3，ρs=1560kg/m3，s=1.935。根据上述提到的公式计算出的临界速度为vc=1.78179m/s。

2 几何模型、网格划分及定解条件的设置

2.1 模型的建立及网格划分

根据浆液在管道中的输送情况，利用ANSYS design modeler建立其几何模型，其几何结构如下图1 所示，浆液管道的内径为D=100mm，长度L=4000m。采用mesh 对模型进行网格划分，其划分情况如图1。

图1 管道模型及网格划分

表1 工况情况

图2 初始流速与管道压力损失关系曲线

图3 流速与剪切应力及干冰颗粒碰撞数的关系

2.2 定解条件设置

在文中深冷惰气浆液中的液氮的边界条件为：速度入口，压力出口，壁面为边界无滑移，考虑重力为-9.81。湍流强度采用水力半径给出。在深冷惰气浆液干冰颗粒的边界条件设置为：速度入口。

对不同初始速度，不同颗粒粒径，不同固相体积分数进行数值模拟，确定不同工况下的压力损失。具体工况情况如表1 所示。

3 模拟结果及分析

3.1 初始流速对管道压力损失的影响

文中首先在工况：d=3mm，Cv=0.25，u=2.0m/s，ρs=1560kg/m3下进行数值计算，得到该工况下单位长度上的压力损失为3106Pa，，若水平的管道总长长为4m，则压力损失为12424Pa，将初始速度定为2.0m/s～4.0m/s，其他参数保持不变，进行研究深冷惰气浆液的流速与压力之间的关系，得到具体的关系图，如图2 所示。

通过研究图2 可以得出，在相同的情况下，深冷惰气浆液的压力损失要大于液氮在管道中的输送，在深冷惰气浆液中有干冰颗粒的加入，由于干冰颗粒与液氮及管壁的碰撞，会有能耗的增加。在流速的不断增加的情况下，管道中压力损失的曲线呈现非线性增长。随着流速从由2m/s 增加到4m/s 的情况下，压力降低的变化率也进行了增加。进行进一步研究压力损失的关系，选取初始速度为2m/s，2.5m/s ，3m/s，3.5m/s，4m/s 工况下，得到不同流速与管壁剪切应力和颗粒碰撞数的关系曲线，如图3 所示。

经过对上图的研究，剪切应力的增加与流速的增加有着密切的关系，干冰颗粒的数量几乎没有变化，由以上关系图的描述可以得到，由于流速不断增加，会使干冰颗粒在深冷惰气浆液中更加均匀混合，干冰颗粒的碰撞数目几乎没有变化，流速的增加引起了压力损失的增加，只是由于液氮与干冰颗粒浆体的流速的增加，紊流增强，管道壁面的剪切应力增大，剪切应力导致能量的损失增加，因此，在深冷惰气浆液中流速的变化会引起剪切切应力增加，也是压力损失变化的主要因素。

3.2 干冰颗粒在深冷惰气浆液中的体积分数对管道压力损失的影响

图4 压力损失与固相颗粒体积分数关系曲线

图5 不同体积分数的固相颗粒碰撞数目

图6 压力损失与固相颗粒粒径关系曲线

为了对干冰颗粒在深冷惰气浆液中体积分数对压力损失的影响，所以设定干冰颗粒在深冷惰气浆液中的体积分数的数值为0.15 0.35，其他不变。经过数值的计算，可以得到管道输送中的压力损失与深冷惰气浆液中干冰颗粒体积分数的关系曲线如图4 所示，同时，其中不同体积分数的干冰颗粒碰撞数目图，如图5 所示。

从图4、5 中可以看出，管道的压力损失与深冷惰气浆液中的干冰颗粒体积分数呈线性关系，可以得出，干冰颗粒体积分数的增加会影响干冰颗粒的碰撞数，主要的原因是，在深冷惰气浆液的输送过程中，干冰颗粒在深冷惰气浆液的数目增加与体积分数的增加有着直接的关系，颗粒之间的碰撞以及颗粒与管道壁面的相互作用程度加强，引起压力损失的增加，干冰颗粒在深冷惰气浆液中的体积分数的增加会导致压力损失的增加。

3.3 干冰颗粒粒径对压力损失的影响

为了探讨干冰颗粒粒径与压力损失的关系，可以把干冰颗粒的粒径大小设置为从3～7mm，其他保持不变。通过数值模拟，得出管道压力损失与干冰颗粒粒径的关系曲线，如图6 所示。

由以上关系图6 得出，深冷惰气浆液输送中，干冰颗粒变大，压力损失变小，在干冰颗粒体积分数相同的情况下，干冰颗粒粒径变大，干冰颗粒数变少，干冰颗粒与管壁之间摩擦引起的阻力损失越小，压力损失随着颗粒的增大而呈现出减小的变化规律。干冰颗粒变大，颗粒数变少，深冷惰气浆液呈现为稀相流体，对压力损失起到决定性作用的就是湍流，虽然，干冰颗粒变大，压力损失变小，但深冷惰气浆液的临界流速变大，流速对管道压力损失作用变大。因此并非干冰颗粒变大越有利于压力损失减小。

4 结论

研究了深冷惰气浆液在管道中流动压力的损失，在进行临界流速的计算后，对初始流速、干冰颗粒体积分数、干冰颗粒粒径对管道压力损失的关系及原因进行了分析研究。得到了初始流速的增加管道压力损失会增加，干冰颗粒体积分数增加管道压力损失会增加，干冰颗粒粒径变大管道压力损失会减小的规律。