管道参数对高浓度粘性固体废物非稳态流动特性的影响

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Influence of pipeline parameters on the unsteady flow characteristics of high-concentration viscous solid waste

高浓度粘性固体废物管道输送中，活塞泵换向引起的压力波动和物料倒流问题，本研究采用弹塑性粘性不稳定性流模型，通过OpenFOAM数值模拟分析管道长度、直径及长径比的影响，结果表明：管道长度增加导致压力稳定时间指数增长，倒流速度和体积分别达85.82%和显著上升；增大直径可缩短压力稳定时间并降低倒流，但加剧压力波动幅度；长径比固定时，直径增大对倒流速度的抑制作用超过长度增加的负面影响；理想止回阀可有效抑制峰值压力。为优化固体废物管道设计提供理论支撑。

　　

郑伟雄|李瑞|吴淼|李强|柯希伟|刘俊福

中国清华大学能源与动力工程系，教育部热科学与动力工程重点实验室，北京100089

摘要

在高压粘性固体废物的管道运输过程中，活塞泵的流向切换会导致剧烈的压力波动和物料回流，这与经典的水锤现象有根本不同，因为这些材料具有高粘度和显著的屈服应力。然而，管道参数对这些非稳态传输过程的影响尚未得到充分理解。为了解决这一知识空白，本研究采用了一个弹粘塑性非稳态流动模型，数值研究了管道长度、直径和长度与直径比如何影响非稳态流动特性。同时评估了理想止回阀对压力振荡的抑制效果。结果表明，压力达到稳定输送状态所需的时间随管道长度呈指数增长，同时粘性固体废物的回流速度和回流体积也会增加；对于长管道，回流体积可达到85.82%，导致输送效率大幅降低。增加管道直径可以有效缩短压力稳定时间，并在切换过程中减少回流速度和体积，尽管这会增大压力波动的幅度。在固定的长度与直径比下，增加管道直径带来的回流速度减小效应超过了增加管道长度带来的增强效应，从而使回流速度总体下降。然而，在切换后的压力上升过程中，增加管道长度引入的延迟效应超过了较大直径带来的加速效应，导致压力上升过程逐渐变慢。此外，使用理想止回阀可以显著减弱压力波动的峰值。本研究为管道参数如何影响粘性固体废物传输过程中的瞬态回流和压力动态提供了新的机制见解。

引言

管道运输是实现高浓度粘性固体废物（如煤泥和污泥）远距离大规模输送的主要方法，广泛应用于包括锅炉供料和矿山回填在内的资源利用过程中[1]、[2]。然而，当使用往复式活塞泵进行高压泵送时，在流向切换过程中容易发生严重的压力波动，同时由于材料的固有粘弹性质，还会出现明显的回流现象[3]、[4]、[5]。这种非稳态流动现象不仅会大幅降低输送效率并增加能耗，还可能引起管道振动和关键部件的疲劳损伤，从而对系统安全构成严重威胁[6]、[7]。因此，深入研究粘性固体废物在管道运输过程中的非稳态流动特性至关重要。特别是，量化管道几何参数对瞬态压力波动强度、物料回流积聚和回流速度的影响对于提高粘性固体废物管道运输系统的运行稳定性、输送效率和安全性至关重要[8]。

管道系统的几何参数（如长度、直径和长度与直径比）在确定稳态能耗以及流体的非稳态流动响应方面起着关键作用[9]。在清水或低浓度均匀流体的传输中，已经对管道参数对瞬态流动的影响进行了广泛而系统的研究[10]、[11]、[12]。特别是对水锤现象给予了大量关注，经典理论和后续研究阐明了管道的几何和材料属性如何控制压力波的传播和系统响应[13]、[14]、[15]。先前的研究表明，增加管道直径可以减少稳态摩擦损失并缓解瞬态压力峰值，同时改变系统的惯性时间尺度[16]、[17]、[18]。然而，增加管道直径通常伴随着较高的初始资本投入[19]。相比之下，增加管道长度会延长压力波的传播和反射周期，可能导致更复杂的叠加效应，并延长系统达到稳定状态所需的时间[16]、[21]。对于由不同直径或材料串联连接的复杂系统，压力波速度的不连续性会引起明显的反射和传输效应，必须使用等效波速模型等专门方法进行分析[17]、[22]。此外，管道材料的弹性模量及其外部机械约束会显著影响压力波的传播和衰减，这是通过流体-结构相互作用实现的[10]、[23]、[24]。通过适当设计管道几何参数（如直径、长度和壁面粗糙度），可以在一定程度上减轻水锤引起的压力波动。例如，增加管道直径或采用粗糙度较高的材料已被证明可以抑制瞬态压力峰值[16]。

将从清水或简单流体中获得的见解直接应用于粘性固体废物的管道运输存在显著的限制和挑战。这类材料通常具有极高的粘度、显著的屈服应力以及复杂的流变行为（如剪切变稀）。当施加的剪切应力低于屈服应力时，材料仅发生微弱的剪切诱导弹性变形，并表现出类似固体的行为[25]、[26]、[27]。作为非牛顿流体的一个代表类别，粘性固体废物的水锤特性、瞬态压力响应、剪切应力分布和流动衰减过程受到其内在流变性质的强烈控制。因此，它们在瞬态流动过程中的能量耗散机制与水等牛顿流体有根本不同[28]、[29]、[30]、[31]。

近年来，关于粘性固体废物管道运输的研究主要集中在稳态过程上，重点研究了管道直径[9]、[32]、管道配置[33]、[34]、[35]以及固体废物的流变参数[36]、[37]、[38]对稳态输送特性的影响。相比之下，关于活塞泵流向切换引起的非稳态流动行为的研究仍然有限[39]、[40]。在我们之前的工作中，初步开发了一个粘性固体废物的非稳态流动模型，并系统分析了粘弹性质对瞬态流动行为的影响[4]、[6]。结果表明，屈服应力和高粘度通常有助于抑制瞬态应力波动，而剪切弹性可能会加剧突然的压力变化。

然而，作为系统固有属性的管道几何参数，其独立对粘性固体废物非稳态流动的影响尚未得到系统分析。管道长度直接决定了系统的总流体惯性和有效可压缩体积，从而对压力波传播的时间特性和系统的能量积累能力产生深远影响。相比之下，管道直径同时控制剪切率的分布和摩擦压力损失的梯度。在活塞泵流向切换过程中，管道几何形状对粘性浆体的非稳态流动的影响变得更加复杂。因此，明确这些几何参数影响关键非稳态流动指标（包括压力稳定时间、回流速度和回流体积）的相对重要性和潜在机制，是优化管道系统设计、匹配泵送操作条件以及评估主动控制措施必要性的关键前提。

为了阐明管道几何参数如何影响粘性固体废物的非稳态流动行为，本研究首先分析了与活塞泵流向切换相关的边界条件。基于从循环管道运输系统获得的实验数据，验证了所提出的弹粘塑性非稳态流动控制模型和简化的直管计算网格。所有数值模拟均使用开源计算流体动力学软件OpenFOAM进行。随后，构建了具有不同管道长度、直径和长度与直径比的数值模型，以定量研究管道几何形状对活塞泵切换过程中动态压力和速度响应的影响。还评估了理想止回阀抑制压力波动的潜力。本研究旨在阐明管道几何形状在粘性固体废物瞬态传输中的关键作用，并识别几何形状相似系统之间的流动行为差异，从而为高浓度粘性固体废物管道系统的科学设计、安全运行和控制策略开发提供可靠的理论基础和数据支持。

章节片段

控制方程

粘性固体废物的剪切弹性、屈服应力和可压缩性都会影响其在管道运输过程中的非稳态流动行为。为了定量研究管道几何参数如何影响瞬态流动特性，本研究采用了我们之前工作中开发的粘性固体废物的弹粘塑性非稳态流动模型[6]。当考虑材料可压缩性和弹粘塑性行为时，

模型验证

由于之前的研究[6]采用了实际的管道配置，并未检验将系统简化为长直管的可行性，因此本研究使用循环管道系统进行压力实验，以验证长直管简化的适用性和所采用数值方法的准确性。实验系统的示意图如图3所示。

管道由双缸往复式

结论

本研究旨在阐明管道几何参数对粘性固体废物在管道运输过程中的非稳态流动行为的影响。首先使用实验数据验证了非稳态弹粘塑性流动模型和长直管网格模型。在此基础上，进行了数值模拟，分析了管道长度、直径和长度与直径比对泵切换过程中瞬态流动特性的影响

CRediT作者贡献声明

郑伟雄：撰写——原始草案，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理。刘俊福：监督，项目管理，概念化。李瑞：调查，数据整理，概念化。吴淼：监督，资源提供，形式分析。李强：监督，调查，概念化。柯希伟：撰写——审稿与编辑，项目管理，调查，资金获取，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家十四五规划重点项目（2022YFB4100805）、江苏省自然科学基金青年科学基金项目（BK20230944）以及太原市关键核心技术研究项目（约2025TYJB20）的支持。