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水利工程论文-粘性泥石流掺气减阻作用初探.doc

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水利工程论文-粘性泥石流掺气减阻作用初探.doc

水利工程论文粘性泥石流掺气减阻作用初探摘要根据野外泥石流观测资料,分析了泥石流掺气与降粘减阻现象,建立了泥石流掺气量与流速的经验公式,并根据泥浆掺气降粘减阻的试验,揭示了泥石流掺气降粘减阻机理,提出了泥石流屈服应力与气体含量及固体浓度的经验公式。本文对解释泥石流减阻,预估泥石流流变特性有重要意义。关键词泥石流掺气减阻1前言流体减阻问题自从Toms1,Kramer2先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现粘性减阻以来,已经近半个世纪了,由于工业生产中到处都存在粘性流体,而减阻技术又直接为节约能源、提高效率服务,因而倍受重视。近年来减阻研究取得了长足发展,在国际上已召开多次有关减阻学术会议,减阻已发展成一门专门独立学科。除航空、航海外,管道输送中开展了大量减阻研究,以及在石油管道中除加热降粘减阻外,还开展了磁减阻、水环减阻3等,而高浓度高粘度固液两相流体减阻,近年来也进行了一定的实验研究。例如在煤的液化技术中,在水煤浆中加入有机添加剂减阻或掺气减阻4在封闭式采矿中对高浓度全尾矿砂边壁加水减阻5等等。但对于含有粗颗粒,甚至块石的组成更复杂的泥石流,这种自然形成的固液两相流减阻现象研究的较少。泥石流作为一种高浓度的固、液混合的流变体,由于它暴发突然、来势凶猛、破坏力强,严重地影响着山区的建设和经济发展。为了更好地解决泥石流灾害防治实践中提出的问题,近半个世纪,对泥石流流变机理进行了大量实验研究。对泥石流流变特性有了进一步认识。实验发现粘性泥石流龙头高速流动时可掺入一定量的气体,掺气后作为固、液、气混合流变体,来探讨其中的气体对流变特性的影响,还很少进行研究。本文主要介绍粘性泥石流掺气减阻现场观测的结果及减阻机理。2粘性泥石流的流变特性及减阻现象高浓度粘性泥石流由于受介质和粗颗粒的碰撞及粘性摩擦力的控制和制约,固体物质体积浓度大,致使它的流变特征、水力结构特征要比高含沙水流复杂得多。根据蒋家沟泥石流的观测试验资料可知,见表1。粘性泥石流在浓度基本一样时,它们的平均屈服应力却有很大的差异,例如高粘性泥石流流体的屈服应力是亚粘性泥石流流体的屈服应力的7.2倍。根据屈服应力定性的把泥石流分为高粘性、粘性和亚粘性三类,其分类依据是以有效屈服率τBt/τB0,即泥石流体的屈服应力值τBt与其浆体屈服应力值τB0之比来进行分类的。高粘性泥石流屈服应力值是其浆体屈服应力值的3倍左右3.09,而亚粘性泥石流体的屈服应力为对应浆体的0.77倍5.4m/s3表3观测数据及点绘的图1显示,泥石流气体含量与泥石流的流速成正比。亚粘性泥石流体中泥石流体的屈服应力之所以小于对应浆体的屈服应力,是因为亚粘性泥石流体中颗粒之间的有效孔隙较大,亚粘性泥石流体的结构紧密率CVt/CVw为1.63,小于粘性和高粘性泥石流体的结构紧密率1.85~2.44。或者还可采用另一种参数来反映,亚粘性泥石流的自由孔隙率Fr为0.143,大于粘性和高粘性泥石流的自由孔隙率0.135,0.086。上述CVt、CVw、VM分别代表泥石流体的固体体积浓度、流体体积浓度。4泥石流掺气减阻机理初探4.1泥浆宾汉体掺气减阻从以上的叙述看出泥石流掺气减阻现象,其减阻规律,减阻的机理可借鉴其它方面的研究成果。例如水煤浆掺气降粘减阻试验发现,水煤浆在受剪切时,微小气泡象滚轴一样流动变形,大大地降低了水煤浆抗剪切能力,在同一水煤浆中,在一定范围内气泡含量越多降粘越显著,在气体含量一样时气泡越细微,分布越均匀降粘效果越显著,对于不同水煤浆,粘度越高的降粘减阻越明显4。对于该问题邹履泰8曾利用莱因河泥浆进行实验,泥浆为宾汉体,掺入空气作流变试验时发现,在一定范围内随着掺气量的增大,τB与η呈指数减小,对于不同固体体积浓度其减小的趋势不同。1995年对于该问题进行了试验研究。试验用的泥浆呈宾汉体,先作不加气的试验,进而再加不同气量进行试验,共进行了45个测次,每次测试用3种浓度每一种浓度用5种不同加气量,分析选用不加气泥浆,含气量较小范围泥浆的试验资料列于表4[9]。由表4看出,在浓度CV相同时,不加气时流变参数τB0、η呈最大值。随着掺气量的增加,流变参数τB0、η减小。根据表4的试验资料,进行相关分析,则τB0与CVg的相关关系分别为表4不同泥浆加气降粘试验成果Experimentalresultfordifferentincreaseairconcentrationtoviscosityreduction浓度CV含气量CVgτB0PaηPaS430360.18643533.60.184431027.30.21848.50602.0648.55591.9848.510421.37555.705504.255.753634.355.7102682.8CV0时τB0224204CV10.67当CV5时τB070640CV9.794CV10时τB041299CV8.944式,其经验关系式中的系数A与指数B的变化规律,它随着泥浆中气体含量的增大而呈递减趋势。将A、B参数与CVg相关回归得A21477CVg0.34B8.251CVg0.0375把上式5代入式4中变成单因子相关关系统一在一个经验关系式中,则为τB021477CVg0.34exp8.251CVg0.037lnCV6该统计样本尽管每组样品的试验测次只有3个,但降粘减阻规律明显。公式较好地反映了亚粘性泥石流高速流动流中空气含量对屈服应力的减阻作用较客观地解释了在亚粘性泥石流中,由于空气增多,流体的屈服应力τB0随之减小,阻力系数减小,使流动速度加快也较好地解释了表1中泥石流浆体的组成中细颗粒含量差异不大,而屈服应力却相差1倍之多的原因。4.2泥石流流体掺气减阻初探利用经验关系式3对1983年在蒋家沟观测到的亚粘性泥石流的流速,进行泥石流体中气体含量CVg推算,并利用泥石流固体体积浓度和其浆体固体体积浓度的相关性,进一步计算泥石流浆体中气体体积浓度CVg。然后,将计算得到的泥石流浆体的体积浓度CV和气体体积浓度CVg分别代入式6,计算值亦列入表5,计算得到的数值τ′B0明显地低于实际观测试验值τB0。究其原因主要是式6的经验公式是泥浆宾汉体试验数据的相关公式,而蒋家沟泥石流浆体是由含有20~30的粘性颗粒0.05mm和沙组成的泥沙浆体,故当应用于泥石流浆体时应对式6进行修正,即粘性颗粒对泥石流浆体屈服应力的影响修正为τ″B014.86P0.0521477CVg0.34exp8.251CVg0.037lnCV7表5云南东川蒋家沟泥石流浆体不同气体含量流变参数试验值与计算值对照ComparisonofcomputedvalueandexperimentalvalueofrheologicalparameterfordebrisflowwithdifferentairconcentrationatJiangjiaGullyCVtCVfVm/sCVgtCVgfτB0Paτ′B0Paτ″B0Paγ00.5200.4012.800.063340.048733.5012.80737.280.11280.5700.38711.00.047940.036634.009.53134.500.01470.6170.3869.340.033730.021122.709.21725.440.12070.6940.4017.730.019950.011538.8013.46330.990.20130.7100.4248.950.03040.018453.5022.80552.040.0273

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