本文以试验、理论和数值模拟为手段,在得到了充填料浆的最佳配比的前提下,对矸石粉煤灰充填料浆在工程运用中出现的堵管、浆体水击和不满管流等不稳定流现象进行了分析,并对不稳定流现象对充填系统造成的影响进行了研究,为消除不稳定流现象提供了依据和参考。以理论和试验为手段,分析了叶片扭矩流变仪在测量矸石粉煤灰充填料浆流变性时由于转速引起误差对流变参数的影响,确定了料浆浓度和所需最小转速的关系曲线。以最小转速为前提,进行了料浆流变实验,确定了矸石粉煤灰充填料浆的最佳浓度和组分配比。以理论分析和数值模拟为手段研究了充填料浆在管输过程中出现的不稳定流现象。借助ANSYS ICEM CFD及FLUENT对矸石粉煤灰充填料浆的管流特征进行了模拟。(1)通过模拟不同流速下,管道出口截面矸石颗粒的体积分数,确定了料浆输送的不淤流速。以出口截面附近料浆流速变化情况为研究对象,分析了当入口流速低于不淤流速时,料浆在管道中的不稳定流动情况。(2)研究了浆体水击现象所造成的浆体不稳定流动,通过比较不同关阀时间下水击现象造成的压力脉动曲线,解释了关阀时间与爆管事故之间的关系。(3)理论分析了竖直管段出现不满管流现象的机理,模拟不满管流中的“气蚀”现象所形成的压力场和速度场,以说明“气蚀”现象对管道的破坏机理;理论分析了“射流冲蚀”对管道的冲击破坏。本文主要研究内容如下:(1)以柯西应力方程和雷诺-里符林公式为依据对料浆在容器中的转动情况进行了理论分析,说明了料浆浓度和所需最小转速的关系。以实验数据为基础,确定了料浆浓度和所需最小转速的关系曲线。(2)采用叶片扭矩流变仪对矸石似膏体料浆的流变特性进行了研究,确定了料浆最佳组分配比为质量浓度76%,最佳组分配比矸石:粉煤灰:水泥质量比为8:3:1。结合实验结果及流变学相关理论,确定矸石粉煤灰充填料浆属于宾汉流体,并建立了流变模型。(3)运用牛顿力学相关理论分析了矸石颗粒在料浆中的运动状态。矸石粉煤灰充填料浆在水平管道中输送时,大部分矸石颗粒处于悬浮状态向前运动,同时有部分大而重的矸石颗粒沉降于管道底部并以推移形式向前运动。在分别分析了两种运动状态的矸石颗粒所造成沿程阻力损失后,在理论上得到了料浆在水平管道中的阻力损失。(4)运用数值模拟的方法模拟了料浆在管输过程中的流动特征。选取距离管道出口 20cm处的截面为研究对象,根据不同流速下矸石颗粒体积分数的不同,确定了不淤流速。当流速低于不淤流速时,矸石颗粒的淤积造成料浆由稳定流动状态向不稳定流动状态转变,并最终导致堵管。(5)运用动量守恒定律分析了水击现象对管道造成破坏的机理;采用特征线法计算了浆体水击现象中管道壁面所承受的压力脉动变化情况。(6)采用动网格技术,模拟阀门及其前段管道在阀门关闭时所承受的压强脉动变化曲线。结果显示了浆体水击造成的不稳定流动对管道的影响。结果显示,在一定时间范围内,阀门关闭的速度越慢,浆体水击所引起的压强峰值越小。因此,为避免阀门关闭引起浆体水击造成管道破坏,应尽量延缓阀门关闭时间,降低阀门的关闭速度。(7)采用理论分析的方法分析了竖直管段不满管流形成机理。在此基础上,利用FLUENT软件模拟了竖直管段不满管流的速度场、压力场。通过比较“气蚀”、“射流冲蚀”和料浆团柱坠落撞击形成的压力场,发现“气蚀”和“射流冲蚀”是造成管道破坏的主要原因。