《Processes》：Automatic Segmentation of Pipe Flow Core and Multi-Parameter Optimization of Cemented Tailings Backfill: A Solid-Waste-Utilization Approach via a Cascaded K-GVF Snake Model
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在绿色矿山建设和大宗固废资源化利用背景下，管道输送能效与不分级胶结尾砂充填体的采场支护稳定性之间存在跨尺度的力学权衡矛盾。然而，关键工艺参数传统上依赖经验试错确定，缺乏自动化多目标定量评价手段。为克服工业CFD速度云图中的标尺干扰与复杂边界退化问题，本研究提出
在绿色矿山建设和大宗固废资源化利用背景下，管道输送能效与不分级胶结尾砂充填体的采场支护稳定性之间存在跨尺度的力学权衡矛盾。然而，关键工艺参数传统上依赖经验试错确定，缺乏自动化多目标定量评价手段。为克服工业CFD速度云图中的标尺干扰与复杂边界退化问题，本研究提出一种受物理本构约束的HSV-K-GVF-Snake分级主动轮廓模型。利用宾汉（Bingham）三相流先验信息，该算法自动提取断面流核面积占比，将其作为流体剪切耗散趋势的宏观几何代理指标；同时，通过工业计算机断层扫描（CT）重建定量解析三维微观孔隙率。在100幅复杂云图测试中，所提分割算法实现了85.61%的交并比（IoU）、92.2%的Dice系数、0.118的均方根误差（RMSE），单幅图像平均处理时间为1.2908秒，相比无引导模型将梯度矢量流（GVF）迭代步数缩减超过60%。针对120组模拟工况的多因素分析表明，料浆质量浓度是影响流核占比及CT孔隙率指标的主导因素。在所采用的综合质量指数（CQI）公式及所考察的参数组合下，管径180 mm、料浆质量浓度76%、管道长径比5的工况在基于代理指标的输送效率指标与基于孔隙率的密实度指标之间取得了最高折中得分。
论文解读
一、研究背景与问题提出
在“双碳”战略框架下，大宗矿业固废处理正从低值建材回收向高性能胶凝材料合成与CO2矿化封存等高值协同利用范式转型。不分级尾砂管道充填已成为缓解地表沉陷风险、消除尾矿库安全隐患的主流成熟技术。管道投资、泵送能耗及充填体长期支护成本直接决定矿山总体充填支出。目前国内多数充填矿山仍高度依赖工程经验选取管径、料浆质量浓度和管道长径比等关键工艺参数，缺乏定量评价体系支撑。管径过大显著增加一次性投资成本；管径过小则导致近壁低速层增厚、管内高速流核占比下降，长期运行中输送阻力持续偏高、泵送能耗居高不下。同时，仅以输送阻力作为单一指标评价运行工况，容易忽视充填体养护后的微观结构差异——某些低能耗条件下养护完成的充填体孔隙率偏高，导致围岩支护能力不足、后续巷道维护成本大幅增加。由此形成了输送性能与充填密实度难以兼顾的工程难题，使矿山充填综合成本居高不下。
二、研究内容与总体结论
针对上述研究空白，研究人员构建了“流变输送—力学支护”双轨耦合评价体系。首先提出带物理本构先验约束的HSV-K-GVF-Snake分级主动轮廓分割框架，剥离色标与标尺干扰，实现多工况CFD速度云图流核占比的批量高精度自动提取，并将其作为评估流体剪切耗散趋势的宏观几何代理指标。其次同步制备固体充填试件，采用工业CT扫描结合三维重建定量表征微观孔隙率。最后以宏观流核占比与微观孔隙率作为两个相互冲突的指标，构建无偏好倾向的综合质量指数（CQI）多目标决策模型。研究得出以下核心结论：所提分割算法在100幅复杂云图测试中达到85.61%的IoU与92.2%的Dice系数，平均处理时间1.2908秒/幅，相比无引导模型将GVF迭代步数压缩超过60%；120组模拟工况的多因素分析表明料浆浓度是影响流核占比与CT孔隙率指标的主导因素；在所考察参数组合下，管径180 mm、浓度76%、长径比5的工况取得输送效率代理指标与孔隙率密实度指标间的最高折中得分。该研究首次将物理约束的K-GVF-Snake框架专门应用于矿山充填料浆流场后处理，并在数据层面观察到宏观流核占比与微观孔隙率之间的跨尺度负相关传递链，打破了传统充填工艺优化依赖单一性能维度的行业局限。
三、主要关键技术方法
研究人员采用以下关键技术手段开展研究：其一，基于ANSYS Fluent 2021 R2（有限体积法）的欧拉—欧拉多相流瞬态求解框架，引入Syamlal–O'Brien曳力模型描述相间动量传递，采用标准k?ε湍流模型配合增强壁面处理（EWT）将近壁网格y+控制在≈1量级，生成6种管径×5种浓度×4种长径比共120组工况的速度云图；其二，自主研发HSV-K-GVF-Snake级联分割算法——先通过约束霍夫圆变换定位管壁区域并剥离标尺干扰，再在HSV空间利用K-means聚类（k=3，依据Bingham三相流物理先验及轮廓系数/WCSS双验证确定）生成流核初始轮廓，最后通过梯度矢量流（GVF）时变扩散偏微分方程驱动Snake主动轮廓收敛至真实物理边界；其三，采用工业CT扫描结合Beer-Lambert定律获取三维灰度断层矩阵，经断层重建算法与灰度阈值二值分类定量解析硬化充填体三维微观孔隙率；其四，构建无偏好CQI多目标决策模型，采用极差变换法归一化流核占比与孔隙率指标，以等权重ω=0.5为基线并遍历[0.3,0.7]区间验证排序稳健性。样本来源为某矿山洗选不分级尾砂、P.O 42.5普通硅酸盐水泥与去离子水，按1:4灰砂比制备标准三联模试件。
四、研究结果
4.1 消融实验与算法性能验证
研究人员在Intel Xeon Gold 6248R CPU（3.00 GHz，24核）、64 GB DDR4内存及NVIDIA Quadro RTX 4000 GPU工作站上，基于Python 3.8、OpenCV 4.5与SciPy完成算法实现。单变量消融实验表明：聚类数k=2时算法将流核与过渡层混淆导致边界过度外扩；k=4及以上时中心塞流区被离散分割为多条细长同心带；仅k=3（高速流核区、中速过渡剪切区、近壁低速滞留区）与Bingham流体三相物理分区精确匹配，取得最高定位精度。GVF平滑参数μ过低时矢量场受插值噪声主导导致轮廓陷入局部极小形成异常“尖刺”；μ过高时能量场过度扩散忽略真实物理凹陷。在100幅含噪声与色标干扰的标准测试集上，所提算法IoU达85.61%、Dice达92.2%，较传统主动轮廓模型（方法D）分别提升41.52%和31.10%；RMSE低至0.118，MAE仅0.014；流核半径平均相对误差（MRE）从18.35%降至4.18%，最大相对误差（MaxRE）为9.36%且稳定出现在管道断面下缘——物理归因于粗尾砂重力沉降导致的不对称速度跌落与屈服边界局部锐利曲率。算法单幅处理时间1.2908秒，GVF迭代步数从原始约160步压缩至62步，计算量减少超60%。三组平行试验显示流核占比测量变异系数（CV）稳定在1.97%以内，孔隙率测量相对不确定度低于1.8%，验证了极高工程可重复性。
4.2 流核占比演化规律
基于120组工况云图批量提取结果：随管径增大，流核占比呈非线性对数式增长——管径加宽使壁面边界层剪切影响区向管心退缩，屈服半径与管径之比显著缩小，高速刚性塞流区充分发展；料浆浓度从68%升至76%时流核占比呈显著单调增长——浓度升高引发颗粒互锁骨架效应增强、剪切屈服应力τ0指数增长，中央未屈服区扩大，剪切变形集中于更薄的近壁层；长径比增大导致沿程局部摩擦阻力累积、管内整体流速衰减，高速流核收缩、占比显著下降。多因素极差分析与方差分析表明：浓度因素对流核占比的方差贡献率达68.4%、对微观孔隙率的贡献率达74.2%（p<0.001），呈现绝对主导统计效应；管径贡献率高于长径比——管径改变直接影响壁面剪切边界层与中央流核的“几何尺度比”，而长径比仅通过改变驱动压头平移整体速度梯度，不改变料浆流变本构。该“浓度主导、管径辅助、长径比微调”的统计层级与前期随机森林流变参数敏感性分析高度自洽。
4.3 CT孔隙特征表征
工业CT重建显示：相同养护龄期与配比下，充填体三维孔隙率随浓度升高急剧下降——低浓度试件含过量自由水，养护蒸发后留下大量连通微毛细孔；高浓度料浆颗粒间距小、水灰比配置科学，水化产物易填充颗粒间微隙形成致密微观结构。标准化养护条件下微观孔隙率主要由料浆浓度控制。跨尺度相关分析表明流核占比与微观孔隙率呈极强负相关，其物理传递链为：宏观流核占比越大→管道中心刚性塞流越充分→除近壁强剪切变形区外多数颗粒免受高频相对剪切扰动→初始水化网络结构未被撕裂解聚→粗细骨料呈现更优自组织级配堆积状态→养护中水化产物高效填充优化后的初始颗粒骨架微隙→自由水逸出遗留的宏微观连通毛细孔体积显著收缩。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，仅从流体动力学维度优化流阻在工程上具有片面性，必须将CT孔隙特征参数纳入CQI方程才能实现全局参数优化。该跨尺度强负相关并非数学巧合，而是反映了“塞状流核发育—骨料自组织级配—自由水通道闭合”的清晰物理传递链，在机理层面弥合了充填科学中“管道输送流变学”与“力学支护”之间的理论鸿沟，为无偏好CQI多目标物理决策模型提供了坚实的物理本构基础。
研究结论可概括为：针对CFD速度云图中的非物理噪声与标尺文本干扰，所构建的约束霍夫圆变换能准确定位管道圆形感兴趣区域并裁剪背景；基于HSV空间非线性颜色特征的无监督三阶聚类分析，依据Bingham塑性流变本构将聚类数物理指定为三类，精细映射近壁低速层、屈服剪切过渡区与中央未屈服流核层，快速生成流核初始边界，规避了传统主动轮廓模型依赖人工绘制初始轮廓的局限；针对重力作用下浆体易形成的不对称鞍形或月牙形速度边界，利用GVF时变扩散动态偏微分方程的远程调和效应驱动弹性轮廓曲线紧密贴合几何凹边，实现动态边界高保真提取。在宏观—微观多目标耦合优化层面，通过遍历最佳工况组合确定：输送管径180 mm、料浆质量浓度76%、管道长径比5时，输送效率代理指标与孔隙率密实度指标在所选CQI权重下达到最高排序折中状态。该方法绕过了传统跨尺度偏微分机理模型的求解困难，在数据层面直接连通宏微观数据孤岛，为地下支护工程参数优化提供了可靠路径。未来研究将沿两个方向拓展：一是引入基于有限元（FE）的有限浓度法（FCM）及耦合格子玻尔兹曼—离散元（LBM-DEM）方案，实现密实全尾砂浆体跨断面瞬态颗粒扩散、局部黏度分层与动态屈服面演化的高保真建模；二是将所提高分辨率流核分割算法集成作为工业充填管道的上游视觉感知模块，耦合深度强化学习控制器与变频泵送回路，实现随管壁磨损与粗糙度变化动态调节料浆浓度与输送流速的自主低碳充填作业。
