[发明专利]基于T-H耦合的膏体充填料浆管道输送阻力损失计算方法

权利要求书

1.一种基于T-H耦合的膏体充填料浆管道输送阻力损失计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、方法建立的假设

(1)膏体充填具有不易发生离析和沉淀的特点，因此将充填料浆看成是均匀连续介质来研究；

(2)各个方向的力学性质相同；

(3)浆体在流动过程中是不可压缩的；

(4)考虑浆体流动引起的热传递和热对流；

二、T-H耦合管输模型的建立

(1)流体流动控制方程

由于浆体是不可压缩的均质体，密度为常数，故连续性方程为：

式中，u、v、w为速度矢量沿x、y、z轴的三个速度分量，

流体的运动方程为：

式中，X、Y、Z分别表示流体微元在x、y、z方向上的面力，p为表示流体微元受到的面力的合力，ρ为流体的密度，μ是流体粘度，

在膏体充填料浆输送过程中，伯努利方程是决定料浆运动过程中能量间相互关系的重要公式，按照能量守恒原理，膏体充填料浆为均质流，则可按照均质流体导出伯努利方程式：

式中，z₁、z₂为单位流体的位置；p₁、p₂为流体在位置z₁、z₂处的压力；γ_ρ为料浆的容重；v₁、v₂为料浆在z₁、z₂处的流速；H_1-2为单位能量损失，

粘度模型采用非牛顿Carreau模型：

式中，μ₀为零剪切粘度；μ_inf为无限大剪切速率粘度；λ为稠度指数；n为流动指数；上述各参数由试验测定，

(2)热量平衡方程为：

膏体充填料浆是均质结构性流体，料浆与其周围环境之间的热交换主要通过两种方式：热传导和热对流，忽略了辐射的热传递，

式中，C_p为定压热容；Q为热源项；k为热传导系数，

式中，ρ_w、ρ_s为水和固体颗粒的重力密度；Q_w、Q_s为水和固体颗粒的流量，

ρ_w＝314.4+685.6*{1-[(T_w-273.15)/374.14]^-1/0.55}^0.55 (9)

式中，T_w为水的绝对温度，

如上所述，分别用于描述热量平衡方程，流体流动控制方程可以通过相关参数彼此耦合，相关参数恰好是温度T；

三、几何模型的建立

模拟对象为二维管道输送平面模型，参照模型为充填管路，对模型的尺寸做出相应的调整后将模型导入COMSOL有限元软件；

四、参数的选择

将管道周围边界设置为温度边界，其中入口边界和出口边界与充填料浆温度相同，竖直管道入口设置为速度边界，管道水平入口设置为压力边界，初始压力为零，考虑重力的作用，其他参数由充填料浆的物化性质待定；

五、计算与分析

将模型的边界条件和充填料浆的物化参数带入T-H耦合数学模型中进行计算，并把模拟结果与不考虑温度场的模拟结果以及现场实测结果进行分析，得出结论。

2.根据权利要求1所述的基于T-H耦合的膏体充填料浆管道输送阻力损失计算方法，其特征在于在所述的几何模型的建立过程中，首先使用CAD软件建立管道的基础平面模型，为提高计算效率和计算结果的有效性，对模型的尺寸做出相应的调整，随后将模型导入COMSOL有限元软件。