中国修船CHNNASHNPREPANR6Vri. 32 Nc.3/un.2019疏浚粗颗粒管道输送特性模拟及淤堵成因分析张新卓，熊庭，范世东，江攀（武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063）摘要：为解决粗颗粒介质在管道输送中阻力大、易堵管和管道磨损加剧等问题，文章利用
CFD-DEM耦合的方法，探究粗颗粒在管道中的微观运动特性、流态转变现象和流态稳定性。
研究表明颗粒速度是影响颗粒在管道内运动状态的关键因素，当颗粒处于临界流速以下时，颗粒
处于极不稳定的定床或动床流动状态，易导致堵管现象的发生；而当颗粒处于滑动流状态时，颗
粒运动速度稳定，管道内没有颗粒沉积，可视为施工宜采用状态。关键词：泥沙运动；粗颗粒；流态分析；浓度分布；流态稳定性中图分类号：TV142 doi：10.13352/j. issn. 1001 -8328.2019.03.007Abstract: In order to solve the problems such as high resistanco of coarse particle medium in pipeline transportation ,easy plugging and pipe wear, this paper uses CFD-DEM coupling metOod to explore the microscopic motion characteristics, tow state transition phenomenon and tow state stability of coarse particle in pipeline. The results show teat particle velocity is tOe key factor atecting the particle movement in tOe pipeline. When the particleis below Uv criticol tow rate, the particle is in a veiy unstable state of txed bed or moving bed tow, which easily leads to the phenomenon of pipe plugging. However, when the particles are in sliding tow state, the velocity ofpaetioeemotion isstabee, and theeeisnopaetioeedeposition in thepipeeine, whioh oan beeegaeded asthesuitabee
state for construction-Key words : sediment movement ； coarse paticles; tow analysis; concen/ation distribution ； tow stability疏浚工程是指应用人力、机械或水力方法挖掘
水下土石方并进行运输或吹填的工程。疏浚工程通
常包括开辟或拓宽航道和港池、河道湖泊清淤、填 海造陆、围海造陆和深海采矿等。在疏浚物管道水 力输送⑴过程中，若不能依据颗粒的运动特性选
择合适的输送条件，泥浆中固体颗粒会在管道底部
而离散元方法（DEM）可以考虑颗粒形状、材料 属性、粒径分布等因素，准确地描述颗粒的运动情 况及其与流场的相互影响［3］，并捕获粗颗粒在管 道内的运动特征。刘刚等⑷使用实验和CFD -
DEM耦合方法研究了管道内成品油和杂质颗粒的
两相流动，对可能引起杂质颗粒沉积特性发生变化
逐渐分层沉积,引起管道输送阻力增大，严重时甚 至引发堵管事故。计算流体力学（CFD）方法在固
的流速、管道fit角与直径、杂质形状等参数进行了
分析& Chen等［5］基于CFD - DEM耦合的数值模拟 方法，预测了 45。、60。和90。弯管内液-固两相流 动的冲蚀磨损率、湍流强度、二次流速度矢量，经
液两相流研究中的应用越来越普及，在目前主要的
两相流模型中，欧拉-拉格朗日模型能够计算的浓
度较/J、，欧拉-欧拉模型难以准确计算离散相颗粒
以及ASM模型［2］，仅适用于低Stokes数的情况,
过对比分析发现90。弯管拥有最多的腐蚀冲击角。 Zhou⑷等基于CFD - DEM耦合研究颗粒在3种旋基金项目：国家自然科学基金（51709210）作者简介：张新卓（1993-）,男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向为疏浚装备及技术。 通信作者：熊庭，E - mail: bearmos@ 163. com・25・2019 3中国修船32流发生器中流体模式、涡流数量和压降，发现内部
螺旋结构是用于粗颗粒旋转气动输送系的最佳选
择。但对含粗颗粒的固液两相流的研究较为缺乏,
+ ^Magnus ）为流体与单位体积颗粒间
的相互作用力，由每个计算单元中的经验公式给出&
draa +8sflffman （81.2颗粒相控制方程本文采用欧拉模型，该模型的特点是考虑了颗 粒相的湍流扩散，以及相和相之间因初始动量不同 引起的滑移，因此能较为全面的考察和研究多相流
对管道内粗颗粒的流态转变和淤堵机理仍需要进一
步研究。1 CFD-DEM 方法1.1流体相控制方程动。使用软球模型计算每个单独的颗粒，并由平移
和旋转运动的牛顿方程描述如下：d#?—p J* 二8P-W +8P-P + 8saffiman + 8Magnus + —?=，在CFD模拟中，本研究对于无颗粒的液相流
动使用的控制方程，其向量形式的质量守恒、动量
守恒方程为：（6）(puj二 0,(p) U[Ujdp
d d*'(1)+ d% + 8,d+ —d%i式中：-p为颗粒的质量；#p为平移速度；？为转 动惯量；）p为旋转速度；8 _W和Fp_p分别为颗粒
(2)式中：p为液体密度；*为时间；U、u为不同方 向的液体流动速度（5, j = 1, 2, 3 ）； 4、4为对
-管壁和颗粒-颗粒的接触力；=为重力加速度；
@p为由接触力引起的净转矩。1.3网格划分及边界条件应的不同方向；P为压力；％为应力张量；8为体 积力。为了描述湍流的现象，采用标准的紊流计算模型，模型的k-s运输方程为:所用模型为水平管道，管内径为152.4 mm,
长度为7.5 m,最终得到646 720个单元&进口为
速度入口条件，液体相和颗粒相速度设为一致，本
研究依次将速度设为2 m/s、5 m/s和10 m/s,颗
d (p!) ' (PkU) dt dxjGj ~Pp - ；M + d (pg) d (psu)dt dXj沙粒回流体积分数均为零。壁面采用增强型壁面函 (G+ k ) - C”P 千+ <(,2(4)数，曳力模型采用Di Felice模型，升力模型采用 萨夫曼提升力和麦克纳斯提升力。式中：k为湍动能；s为湍动耗散率；\"为湍动黏 2颗粒运动状态分析输送速度是水力运输的关键参数之一，合适的 流速能够有效提高输送效率，避免堵管现象的发 生。因此本研究以经验公式为参考，计算粗颗粒的 度；“为动力黏度；：k为由于平均速度梯产生的 湍动能；Gj为由于浮力影响产生的湍动能；；M为 可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；2（、 C2（、2（为经验常数；','（分别为湍动能和湍动 临界流速，并据此对颗粒的不同流态进行分析& 2.1颗粒流态判别及转化过程分析颗粒流动状态通常被分为5种［7］，本研究选取 耗散率对应的普朗特数，Sk、s（为源项。在CFD - DEM耦合的方法中，考虑了颗粒之 间相互作用的流体相动量守恒方程为：d（guj + 号（卩轨6，）(dp + (d4 粗颗粒输送较常见的3种流态（定床流、动床流和 滑动流）作为分析对象&定床流又称受限的管道流 d4动状态，该状态下固体颗粒在管道底部沉积，逐渐 (5)+ (p.式中：（为流体体积分数；为每单位体积的颗粒tfman + agnus+形成静止不动的颗粒床，流体只能通过上方的受限 空间流动，当受限空间不足以支持浆体通过时即出 数；Fdca、FsAan和^Manus分别为施加在每个颗粒上 的拖曳力、萨夫曼提升力和麦克纳斯提升力，现堵管事故&随着输送速度的增加，管道底部的静 止颗粒床开始被侵蚀，当速度达到极限沉降速度-26 -2019 3张新卓，等：疏浚粗颗粒管道输送特性模拟及淤堵成因分析32(LDV)， 会全部进 动状态， 悬移或者推移&动床流又称为滑动 携带向主导的流不态、 堵塞的关键参数， 对 分布有 极大的影响& 2 m/s时，射 迅速态， 的作用 ， 管 底部呈 降，静止管道底部 发展至堵管。在定床流推 的状态。滑动流动又称为碰撞主导的流态,和颗粒、颗粒和管壁之间 态下，管 堵塞处 布 管道面，在后部 碰撞而相互作用,的管道，除底部存在少量 ，堵管发生 夕卜，其他空间 基管道的横截面上不均匀分布， 相对较高。 述分 底部浓零。图4 管不同位置处各垂直截面的平均 0.5 m处， LDV是 态堵管处变的关键判据， 经公 计算出，浆体最大，随后呈陡降趋势，后部浓度基 0.6「持在0&态从定床流到动床流的临界速度是1.719 m/s，动 床流到滑动流的临界速度是3.432 m/s。乘 工现场发 动状态的转变并不是一个瞬时变04 化，而是过程性的。当达到临界 发生状态的转变。基于此， ，不会立刻究 2 m/s和5m/s来研究流动状态的变化过程，取较大的 速02 度8 m/s和10 m/s来研究滑动流态时的 征。 态转化过程如图1~图3所示。0O O 246 图1输送速度2 m/s的定床流0」° 10 管道长度/m图4速度2m/s下不同截面处浓度变化图2输送速度5 m/s的动床流( 悬浮层8 6 4 2 图3输送速度8 m/s的滑动流态近壁层 、1 2 m/s的 ，颗粒不能管 底携带， 管 处迅 着 间不 部空隙减 部，从而底部形成固定不动的 层，形似 “床”，其厚 ， 层不0 <0.1 0.2 0.3 颗粒体积浓度0.4 0.5 一定高度，管 0.6自由 ，贝y成堵管。随着 的增， 定床表面 跳跃运动，如 2所示。床开始 图5动床流颗粒浓度径向变化(！=5m/s)管道底部静止的 剥离，管道当 大， 动态从定床 变当速度达到LDV，颗粒床会被完全侵蚀，颗粒进 动床流和滑动流， 5和图6分 示 分布也随之发生显著改变。悬浮状态，流态变为动床流& 动充分发展时刻，管道径向的变化趋势。底部形成不 浮 推移的 床，只少量 悬，动4m处横截面 床上方。图3 示较高 不同流态 径 低下高。颗粒床 变 滑动 ， 态的主要 间均 是： 与碰撞而相互作间、 和管 分布模式均可用3层模型解释：最 层为悬浮 层， 由于紊动 作用处于悬浮状态，动床流态下该层基 忽略，而滑动 用， 管 的 截面 ， 底部 不均匀的分布，态 层则相对较高， 处悬浮状态。少数 存 ， 由 于滑动 态 大， 悬浮2.2颗粒浓度分布分布是 管 考量：流层与剪切层之间剪 较大， 携带走的颗粒，因此动床流的悬浮层厚度要小于滑动流的・27・2019 3中国修船32管道长度/m图6滑动流颗粒浓度径向变化（！=8m/s）悬浮层厚度；管 碰撞， 成的 部为剪切层，该层 部 不动态依 之间的剪应力而持， 似呈 分布，且随着 高度与管 少，由于2 态 径的占比（\"A）增大而减的差异， 对的携带、层与层之间的剪切作用均存在差异, 动床 的剪 层厚 ， 而滑动 剪 层厚 较动大。最下层 层，该层 推 ， 动床 的 层 径的主要存管道长度/m持较大均一数值，这是动床 ， 持 55% ， 滑动 态 ， 剪层模型层的剥离作用 层的厚度比动床， 垂图8滑动流轴向浓度变化方向上存 梯度。不同流态 态下，统计管 处 时刻 均 后 处， 后发现，起始间内减速至零,高度与管道直径占比（Y/D）如表1所示。表1不同流态下三层模型水平高度 具有最大 基 止在管 造成堵与管道直径占比（Y/D）悬浮层剪切层管 &动床 态 的携带作用下，固体，近壁层0-0.7物料虽会静止在管道底部，但尚不具有悬浮 会在局部 由于 着 动床流定床流0.82-1.000.70 〜0.820.38 〜0.67物料堆 成“沙丘”。快，同0.67 〜1.000 〜0.38“沙丘”上部的狭窄空间 图7和图8为颗粒浓度沿管道轴向的变化情况。 的携沙作用，“沙丘”会发生沿流动方当输送速度为5 m/s、 不同截面的 动， 处动床 的分 动状态时，的推 动， 动的 变化如图10 示。变为滑动态集，此谓沙丘，不稳定的动床 不是均匀存在，而是 &而当 8 m/s、 ， 的 的 瞬 较高 ，保持处在滑动流状态时，方向上不再产生明显不再随时间发生任 变化，果一定距离后 定 管道，如11 示。的 动， 基 持 14% 2.3颗粒速度分析， 是 管中处于稳定运动状态，此谓分层流&3结束语本研究针对疏浚工程中常见的管道淤堵问题, 数量静态反映 物在管 的状态,管内的运动 究对象，通过及流态 管 或者 处 均 究对CFD - DEM耦合数值模拟方法，分 不同 ： ,动态分析泥沙流态&如9所示，在动床・28・件下， 的流动 程,2019 3张新卓，等：疏浚粗颗粒管道输送特性模拟及淤堵成因分析32等， 管后部 不存 ；动床 坡 较大，滑动床 一定高度(0.55D)后，在垂推 态运动；滑动床形成，方 数 持均一， 态是一种较稳定的状态， 垂直方 动。定床 呈 分布。的不稳定间内3) 管堵塞的主要因素是 态下，管 剧减力、， 止于进口处造成堵塞；动床流状态 输送时间/S呈沙丘 推移， 动态； 滑动 态 均呈动 态稳定， 管出口的 不随时间发生任 变化。态是影 管 综 述， 的效率和安全的关键因素，不稳定 床的存在 会 管道堵塞，严重影 ， 工程的进程&工程中应因地制宜，判不同 的流动 ，衡量 动稳定性，计， 管算合理的 滑动流或非均 的稳定状态 ， 的目的&参考文献、减阻和高效 [1] 贾晓萌，李永业，孙西欢，等.筒装料管道车在不同 流量下运动时水力特性研究[J].人民长江，2017, 48 (14) : 65 -68.[2] MESSA GV, MALIN M, MALAVASI S. Numerical Pre diction of Fully Suspended Slurry Flow inHorizontal Piges [J]. Powdereechnology, 2014 ( 1 )： 61 -70.[3] 喻黎明，邹小艳，谭弘.基于CFD - DEM耦合的水力器水 动 2016 (1)： 126 -132.[J].农业机械学报，[4] 刘刚， ，李博，等.成品油管道内杂质运移沉积及其影响规律[J].油气储运，2017, 36 (6 )： ,08 -,15.输送时间/S[5 ] CHEN J, WANG Y, LI X, et al. Erosion prediction of liquig 一 particle two - phase flow in pipeline elbows vi CFD - DEM coupling method [ J &. PowderOechnology, 图11出口处颗粒速度随时间变化(8 m/s)根据 分布、 计等参数来评估如&准确呈现粗颗粒在的流态稳定性， 1) CFD- DEM耦合方 2015 (5) : 182 -187.[6 & Jin-wei Zhou, Chang - long Du, Song - yong Liu, etai.Comparison of tree types of swiryng generators in coarse 管 动态流动过程。 实数据，杲paryclepneumatio conveying using CFD - DEM simulation [J]. PowderOechnology, 2016 (11)： 1309 -1320.分布和阻 的一 &2) 的模拟值均与实[7 ] Sape A. Miedema, Slurry transport fundamentals, A his 动 态的变化而变化。定集.基本相・29・torical overview &DHLLDV (2nd edition) [ M]. Amstes- 床流态极不稳定的趋势，管会 dam： IOS Press, 2017.收稿日期：2018-10-24堵塞，在堵管处 布 截面， 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容