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Application of improved two-phase flow theory in air–water pipe flushing: Based on air-to-water ratio and cement paste rheological properties

流变学 冲洗 空气水 物理 水泥 两相流 机械 流量(数学) 石油工程 相(物质) 管道流量 热力学 复合材料 湍流 医学 材料科学 内分泌学 工程类 量子力学
作者
Zhenqi Wang,Aixiang Wu,Shaoyong Wang,Pengfei Wu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (6)
标识
DOI:10.1063/5.0267029
摘要

This research presents a comprehensive theoretical and practical framework for optimizing air–water pipe flushing in cemented paste backfill (CPB) systems by integrating improved two-phase flow theory with rheological analysis. Key advancements include the following: (1) establishing a novel correlation between CPB slump height and viscosity to quantify adhesion effects, (2) developing a frictional pressure drop model incorporating an equivalent diameter to account for CPB adhesion-induced pipeline roughness, and (3) identifying bubbly flow as the optimal flow pattern through rigorous analysis of air-to-water ratio impacts on shear stress and void fraction. Experimental and numerical validation demonstrates that increasing the air-to-water ratio reduces homogeneous density by up to 75% (from 1000 to 253.9 kg/m3) while enhancing flow velocity by 33% (from 6.93 to 9.24 m/s). The proposed model achieves a 10% improvement in pressure drop prediction accuracy compared to traditional methods. Field implementation in an African copper mine validated that air-to-water ratios of 2:1 reduce water consumption by 61.63% (75–28.78 m3) while maintaining flushing efficiency, addressing incomplete flushing and environmental concerns. A redesigned air–water system with sealed valve controls and pressure-adaptive compressors further ensures operational reliability. This study bridges theoretical gaps in two-phase flow modeling for non-Newtonian fluids and provides actionable strategies for sustainable mining practices.
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