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水利工程论文-水平管内伴有悬浮床的冰-水两相流动特性.doc

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水利工程论文-水平管内伴有悬浮床的冰-水两相流动特性.doc

水利工程论文水平管内伴有悬浮床的冰水两相流动特性摘要用当量直径为12mm的碎冰,管径为49.7mm的水平管路在低流速范围进行了冰水两相流的输送实验,主要对伴有悬浮床的冰水两相流动特性进行了实验和理论研究。对比实验采用比重与冰相近的聚苯乙烯颗粒水两相流。研究结果表明,冰颗粒之间的粘性作用是引起冰水两相流压降变化和非牛顿流体特性显示的重要因素,而且针对伴有悬浮床的冰水两相流的非牛顿流体特性,提出了计算其输送压降的新方法。关键词冰水两相流非牛顿流体压降悬浮床1引言冰水两相流是冰和水的混合流体,具有温度为0℃,固相的比重接近于1等特点,类似的还有雪水混合流体等。有关冰水流动和雪水流动的研究,在国外如日本、加拿大等国家的学者在80年代末90年代初,已注意并开始对这类问题进行研究。目前,在国内对冰水流动和雪水流动的研究报告还很少。然而,近年冰、雪引起的问题也逐渐在我国显露出来。例如,初春的冰川、冰河开河时发生冰凌流的冰堆有阻塞河流、渠道的危险,并且直接威胁到河流上面架设的桥梁安全等的消息时有报道。又如,针对城市交通、高速公路等在冬季进行大面积、快速清除冰、雪,都涉及到冰水和雪水流动的问题。冰水流动属于非沉降性固液两相流,如果不存在冰颗粒之间的粘结现象,冰水混合流体的管路输送系统应该是稳定和安全的。考虑到冰水体系中冰颗粒之间的粘结现象,所以冰水两相流应称为含有粘性颗粒的非沉降性固液两相流。从高桥弘等人1对冰水流体粘度测量结果看,测量数据分布呈现无规律的变化,这在一定意义上也显露出冰水体系粘性变化的复杂性。根据以往的研究报告2,冰水流体输送管路在较高流速范围内流动比较稳定但是,对于低流速范围内输送管路的压降和稳定性如何,研究很少。考虑到河道、渠道的冰凌流,或者是冰水流体潜热的利用3系统管内的流动特点,有必要研究低流速流动的冰水两相流动特性。因此,作者使用粒径为12mm的碎冰,管径为49.7mm水平管路,用冰水两相流与聚苯乙烯水两相流的比较研究方法,对伴有悬浮床的冰水两相流动特性以及输送压降进行实验和理论研究。2实验装置实验使用的装置略图,如图1所示,由混合槽、颗粒泵、电磁流量计、测试管等流动参数测量设备组成。测试管是内径为49.7mm,长度为12m的透明管并能使用高速摄像机进行摄像,以便详细观察冰颗粒的运动特性。观察窗是套在圆管外并充满清水的四棱柱面体,以防止光线通过透明圆管曲面时发生折射影响拍摄图像。另外,混合槽内设置有一定大小网格的网槽,使循环管路的吸入口放置其中,其作用是避免被破碎后的小颗粒冰块再吸入管路内,以保证测试管内流动冰颗粒的粒度不变。实验中,压降的测量采用了应变仪型差压传感器,流速、压力变化和压差等数据使用计算机进行采集。为了便于仔细观察冰水两相流动状态,使用了高速摄像系统(NACHSV400),该系统的帧速率为200FPS(1/200秒),示踪颗粒采用3左右的红色冰颗粒。另外,为了使冰水流的温度在0℃不变,始终保持混合槽内有冰积存。实验中使用的冰颗粒等体积当量直径是12mm,冰的比重是0.917,冰水两相流的输送浓度由下式定义,即式中Qi和Qw分别是冰和水的流量,G是单位时间T内的混合流体的重量,A是管面积,Vm是流体平均速度。3实验结果及其分析3.1冰水两相流动状态的观察实验中对于冰水流动状态的观察,采用高速摄像和肉眼观察两种方法。图2是实验中的肉眼观察和录像的观察结果获得的示意图。如图所示,输送速度从高到低逐渐减少时,管内冰水流动状态的变化样式可以依次划分为a、b和c所示的三种流动状态。其中,图2a是从冰颗粒在管内呈现似均匀分布状态,图2b是管顶部有冰颗粒悬浮层的同时,冰颗粒层下有部分颗粒跳跃移动,图2c是管内冰颗粒基本上全部集中在管上部形成悬浮床。图3是与图2b所示的流动状态相似的实拍图像的黑白打印结果。对比实验使用了比重为0.86的聚苯乙烯水两相流体。图4是聚苯乙烯水流动状态实拍的图像的黑白打印结果。图4也是与图2b所示的流动状态相似。实验中,当流速小于1.1m/s的流速范围时开始观察到管内流动样式从图2b到图2c的变化过程,作者把这种低流速范围内的流动样式称为伴有悬浮床的冰水两相流。3.2冰水两相流与聚苯乙烯水两相流的压降比较图5是冰水两相流和聚苯乙烯水两相流的实验结果进行对比的平均流速与压降关系,图中的圆形符号表示了浓度为0.245的冰水两相流的平均流速与压降关系的实验值图中的方形符号表示了浓度为0.25,比重为0.86,颗粒粒径为3.21mm的聚苯乙烯水两相流平均流速与压降关系的实验值图中的实线是清水的平均流速与压力损失关系的计算值。从两种比重相近且呈现相同流动状态的实验结果看,在流速为0.82m/s左右时,冰水两相流的压降,随着流速的减少有增大的趋势与此相对的聚苯乙烯水两相流的压降依旧保持减少的趋势不变。其原因是流速小于1.1m/s范围的冰水两相流的流动应为伴有悬浮床流动状态。所以管内输送的压降,主要来源于悬浮层内冰水流体流动克服冰块之间的粘结力所产生的压降。图6是冰水两相流在不同浓度下的平均流速与压降的关系,与图5所示的结果基本相同。

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