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（NACHSV-400），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2(a)是从冰颗粒在管内呈现似均匀分布状态，图2(b)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2(c)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2(b)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2(b)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2(b)到图2(c)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1.1