（载运工具运用工程专业论文）三相流管道输送试验与数值模拟分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文依托天津航道局资助的“绞吸式挖泥船加气输送系统试验研究” 课题，主要研究挖泥船的输泥管道中出现的管道阻力过大和管道容易磨损等 关键技术问题。挖泥船在湖泊清淤、取土固堤以及对航道进行疏浚治理中， 通过输泥管直接将泥浆运送到指定的排泥点。在作业中挖泥船通过排泥管道 以固一液两相流输送泥浆，其不足之处是输泥阻力大、输运距离短、能耗高、 易堵管、管道易磨损等系列问题，造成疏浚停工和安全事故，因此，研究挖 泥船输泥管道的管道阻力和磨损问题具有重要的理论研究意义和工程应用价 值。 输泥管道的摩阻和腐蚀问题受到多种因素的影响，通常主要与固一液两相 的腐蚀性、管内壁粗糙度、管道形状、流体的流速与流型等因素密切相关。 本文是以多相流试验为依托，通过理论分析、弯管和喷嘴内的流体流场c f d 模拟来开展挖泥船输泥管道特性研究，主要进行的研究工作如下；进行管道 试验方案设计、管道模拟试验、数据分析和机理研究；根据弯管和喷嘴特征， 建立流场数学模型，依据流体边界条件分析管道内流体的流速分布、壁面剪 切应力分布、压应力分布、相分布，研究管道阻力和冲蚀规律，找出影响管 路阻力和冲蚀状况的主导因素。研究中利用a n s y s 软件中f l o t r a nc f d 模块对多相流的弯管处和喷嘴流体流场进行建模、划分网格、加载、分析后， 得出了流体流经弯管处的压力分布图和速度矢量分布图，分析了流体在流经 弯管和喷嘴时速度和压力的变化，得到造成压力损失的主要原因是流速突然 加大，因为流体具有粘性，随着速度的加大管道内壁与流体的摩擦阻损失越 大。并找到管道内易损坏的部位是弯管的拐角处的内壁、喷嘴的连接出口的 圆弧处和喷嘴的出口的平直管道的外侧，为多相流系统的设计提供了一个合 理的依据。 关键词；多相流：管道磨损；管道阻力；管道分析模型；a n s y s f l o t r a nc f d 本论文得到天津航道局“绞吸式挖泥船加气输送系统试验研究”课题资助 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sr e l i e do nc h a n n e lr o u n ds u b s i d yo ft i a n j i ni n ”n l er e s e a r c ho f w r i n gt h e a b s o r bt y p ed i g st h em i r es h i pt oa d dg a st o t r a n s p o r ts y s t e mt o e x p e r i m e n t 1 1 l cm a i nr e s e a r c ho ft h ed i g st h em i r es h i pi st h et h er e s i s t a n c et o o b i ga n dt h ep i p e l i n ew e a ra w a ye t e t h ed i gm i r es h i pi su s e di nt i d y i n gu ps i l ti n t h el a k e ，t a k e i n gt h es o i lt or e i n f o r c et h ed a ma n dc a r r y i n go nd r e d g i n gt o m a n a g et ot h ec h a n n e l ，d i r e c td e l i v e r i n gt h em u dt oa p p o i n t e do ft h er o wm i r e o r d e r df r o mt h ep i p e l i n e t h ed i gm i r es h i pp a s s e st h er o wm i r ep i p e l i n ew i t h s o l i d - l i q u i dt w of l o wt ot r a n s p o r tm u d i ts h o r t a g eo ft h ep l a c ei st ol o s et h em i r e r e s i s t a n c eg r e a t l ya n dt r a n s p o r td i s t a n c es h o r t l y , h i g he n e r g yc o n s u m e ，b l o c ku p e a s i l y ，p i p e l i n ew e a r sa w a ye a s i l ye t e ，r e s u l ti nt od r e d g et oc e a s ew o r ka n ds a f e t r o u b l e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h ep i p e l i n er e s i s t a n c et h a tt h em i r es h i ph a v e a p p l i e dm e a n i n go f t h et h e o r i e sr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gi nt h em i r ep i p e l i n e l o s er u b i n ga n dh i n d e r i n ga n dc o r r o d i n gt h eq u e s t i o na n di si n f l u e n c e db y m a n yk i n d so ff a c t o r so ft h em u dp i p e l i n e ，u s u a l l y m a i nh a v er e l a t i o no n s o l i d - l i q u i dm u t u a l l yo fw a l li n s i d et h ec a u s t i c i t y , t u b et h ec u r r e n tv e l o c i t yo ft h e r o u g hd e g r e e , p i p e l i n es h a p e f l u i dw i t h f l o we t c t h i st e x tc o m e sf r o mt h e e x p e r i m e n tm u t u a l l yo fm u l t i p h a s ef l o w t h ec h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho ft h ef l u i di n t h ec u r v e dt u b ea n ds p r a ym o u t ho ft h ec f di nt h ed i gt h em i r es h i pt ol o s et h e m i r ep i p e l i n e ，c a r r y i n go ns t u d yw o r ka sf o l l o w s ：c a r r yo nt h ee x p e r i m e n td e s i g n o ft h e p i p e l i n e ，t h ep i p e l i n ei m i t a t ee x p e r i m e n t ，d a t aa n a l y s i sa n dm e c h a n i s m r e s e a r c h ；b u i l du pac u r v e dt u b et of l o wam a t h e m a t i c sm o d e la c c o r d i n gt ot h e c u r v e dt u b ec h a r a c t e r i s t i c ，a c c o r d i n gt oc u r v e dt u b ea n dt h e s p r a y m o n t h c h a r a c t e r i s t i ct ob u i l d1 巾f l o w i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h ef l u i d b o u n d a r yc o n d i t i o nt ot h ec u r r e n tv e l o c i t yo ft h ef l u i di n s i d et h ea n a l y l ：i c a l d i s t r i b u t eo ft h ep i p e l i n e ，d i s t r i b u t eo ft h et u b e w a l ls h e a r st os l i c e d i n t ， d i s t r i b u t eo ft h ep r e s s u r e ，d i s t r i b u t eo ft h em u t u a l l y ，s t u d yr e s i s t a n c e 嘶t ht h e b l u n te c l i p s er e g u l a t i o no ft h e p i p e l i n e ，f i n do u tr e s i s t a n c ew i t hb l u n ta n dt h e p r e d o m i n a n tf a c t o ro ft h ee c l i p s ec o n d i t i o no ft h ep i p e l i n em a k eu s eo ft h e 武汉理工大学硕士学位论文 f l o t r a nc f di nt h ea n s y ss o f t w a r et ot h ec u r v e dt u b ep l a c et h a th a sa n o t h e r t of l o wm u t u a l l yw i t hs p r a yt h em o u t hf l u i dt of l o waf i e l dt oc a i t yo ns e t t i n gu pa m o l d ，d i v i d et h el i n eam e s h , a d dt oc a l t y ，a n a l y s i sa f t e r ，g o tf l u i dt of l o wt h r o u g h t h ec u r v e dt u b ep l a c eo f t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t et h ed i a g r a ma n dt h es p e e dv e c t o rt o d i s t r i b u t ed i a g r a m t h ee x a c t i t u d er e f l e c t e dt h ev a r i e t yo ft h es p e e da n dp r e s s u r e f o rf l u i dt of l o wt h r o u g hc u r v e dt u b e ，f i n dt h ei n b o a r dw a l lt h a tt h ep o s i t i o na p tt o d a m a g ei st h ec 幻r f l e ro ft h er e t u r nb e n di nt h ep i p e l i n e ，o u t s i d eo ft h es t r a i g h t p i p e l i n eo f t h ee x p o r t so f t h ea r ct h a tt h ec o n n e c t i o no f t h es p r a yn o z z l ee x p o r t st o a n ds p r a yn o z z l e , h a v eo f f e r e dar a t i o n a lb a s i sf o rt h ef a c tt h a tt h es y s t e m a t i c d e s i g nf l o w sh e t e ro g e n e o u s l y k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w ；w e a ro ft h ep i p e l i n ep e a r ；r e s i s t a n c eo ft h e p i p e l i n e ；a n a l y s i sm o d e lo f t h ep i p e l i n e ；a n s y s f f l o t r a nc f d i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 课题的来源与意义 本论文依托于天津航道局的“绞吸式挖泥船加气输送系统试验研究”课 题开展关于挖泥船长距离输泥管道的阻力与磨损研究。由于挖泥船在航道疏 浚、湖泊清淤、从河床取土固堤施工中一般都是用管道运输的方式将泥土从 水底输送到指定排泥点。工程中施工的绞吸式挖泥船以固一液两相流输送泥 浆，当输泥管道距离较远时，出现管道阻力大、能耗高、磨损严重、易堵管 等问题，为解决这些问题，利用管道加气助送新技术，通过加气设备向管道 加入压缩空气，以气一固一液三相流混合输送方式输送泥浆，来减小管道阻力， 节约能源，提高经济效益，因此，以管道输送为研究对象探索管道阻力和磨 损产生机理，寻找减少管道阻力和泄漏的措施具有一定的理论研究意义和工 程应用前景【1 2 】。 1 2 管道输送中存在的主要技术问题 1 2 1 关于管道阻力问题【5 】 2 5 - 2 6 1 5 5 】1 5 7 1 在管道输送过程中，由于管道弯管部分、或者管道直径突变部分( 例如喷 嘴) 造成的阻力损失，使挖泥船的排距大大缩短，造成很大的功率损失。就挖 泥船而言，现在作业中的绞吸式挖泥船以固液两相流输送泥浆的，其不足之 处是排泥距离短、能耗高、易堵管、排泥管磨损严重，特别是输送距离不够 远使得某些工程无法施工。在泥泵性能不变的前提下，为延长排距，传统的 方法是加入中间接力泵站，但这样就必然会增加一条工作船及泵站工作人员， 投资费用较大；并且当排距改变时中间接力泵的调整极不方便。如何更有效 地提高泥浆输送效率、减少能耗和提高挖泥船的作业灵活性是人们一直关注 的问题。 1 2 2 关于管道磨损问题 3 5 - 3 9 】 6 4 , 6 5 】 在管道输送过程中，由于管道的材质、结构安装部位( 如直管、弯管、阀 门、法兰等) 及使用环境的不同，会造成各部位的腐蚀状况与劣化程度的差异： 武汉理工大学硕士学位论文 管道的损伤形式主要包括管内壁腐蚀与冲刷、应力腐蚀开裂、材质劣化、疲 劳裂纹等。压力管道的检验分为役前检验、在线检验和全面检验。役前检验 是对管道的制造和安装质量进行全面验收检验，以资料审查为主，并根据情 况进行一定比例的抽检；在线检验是以宏观检查为主，必要时进行测厚检验； 全面检验是以宏观检验和测厚为主，必要时进行无损检验和理化检验等。由 于工业管道种类繁多、结构复杂，其运行工况又各不相同，因此很难用统一 的方法来实施检验。尽管己对现有的检验方法、检验仪器进行了大量的研究 和创新，也取得了实质性的成果，但由于在用工业管道的检验采用抽检的方 式，因此经常因为找不准管路中最薄弱的位置而增加检验的工作量和费用， 而且不准确定位容易出现漏检的情况，难以确保整个管路系统的本质安全。 因此，在用管道腐蚀减薄穿孔失效而造成的停工和安全事故时有发生。在用 管道的腐蚀通常是局部腐蚀( 如点蚀、缝隙腐蚀等) 。虽然局部腐蚀的发生具有 随机性，但其分布也具有一定的规律性，通常受介质的腐蚀性、管道的几何 形状以及具体位置的流速、流型等因素的影响。 介质的腐蚀性通常由工艺条件决定，流速、流型由装置处理量、管径及 几何形状等决定。根据管道的几何形状、运行工况及边界条件，通过c f d 数 值模拟的方法，来分析管道内流体的流速分布、壁面剪切应力分布、压应力 分布、相分布，旨在寻找整个管路系统中最易发生冲蚀破坏的位置，研究其 冲蚀规律，找出影响管路冲蚀状况的主导因素，用以指导：在用管道的测厚定 点和监控定位，易发生冲蚀破坏的管道的结构改造，现有管道操作条件的改 变等。有效地减少在管道检验的工作量和费用，提高整个管路系统的抗冲刷 能力，改善装置的安全可靠性。然而管道的腐蚀通常是局部腐蚀，其分布也 有一定的规律性，通常受介质的腐蚀性、管系的几何形状以及具体位置的流 速、流型等影响，而介质的腐蚀性通常由工艺条件决定，流速、流型由处理 量、管径及几何形状决定。根据管道的几何形状，介质工况、物性参数来分 析管系的流速分布、剪切应力分布、压应力分布，旨在分析冲蚀规律，寻找 整个管系的最薄弱位置。重点对弯头、大小头、三通、喷嘴等系列管件附近 区域进行单相流、两相流、多相流的研究，对易冲蚀的压力管道进行设计校 核；对己冲蚀失效的压力管道进行结构改造；对现有压力管道的变工况操作 条件进行限制等。有针对性地减少在用管道的检验工作量和费用，提高整个 管系的抗冲刷能力，提高装置的安全可靠性。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 管道阻力的研究【纠0 1 2 4 - 2 5 1 【2 。l 【3 0 】【3 5 】【3 6 】 5 5 1 在管道输送领域上，单相、气固和液固两相流输送技术人们早有研究和应 用，气固、液固两相流输送有了上百年的历史，如早在1 8 8 3 年俄国就出现了 卸船散装粮食的气力吸粮机。气、固、液三相流的空气助送技术则是很有发 展潜力的新技术。自二十世纪六、七十年代才有匈牙利、日本、美国和德国 等少数几个国家开展这方面的研究，并取得了一些成果，例如二十世纪六十 年代末，日本将这项技术用于隧道工程中，用压缩空气将混凝土输送到浇注 地；七十年代末又建造了5 0 m 3 h 的空气送泥船，用于高浓度的软泥输送；八 十年代末正式开始了对适合熊本港建设工程需要的高浓度软泥疏浚船空气压 送泥技术的开发研究，并应用于熊本港建设；同时建造了3 0 0 m 3 h 的气流式泥 沙输送船，其排距达1 0 0 0 m ；1 9 9 4 年建造了1 0 0 m 3 h 的空气压缩送泥船，经 过了几十年的发展，日本建造的空气送泥船达几十艘，其中最大产量为 1 0 0 0 m a h ，排距达4 0 0 0 m 2 0 m l 。匈牙利b a n h i d a 电厂采用以仓式泵为主要动 力，先形成气、固两相流，然后再掺入水，形成多相流输送系统，即以“气 体为主，液体为辅”的工作方式，进行了工业性试验，输送距离达1 8 0 0 m ， 但由于管道中气体比例较大，气体在管道中沿程体积膨胀严重，大大增加了管 道输送的阻力，所以不利于长距离输送 在国内，原武汉水利电力大学管道输送科研组从二十世纪八十年代末开 始，也进行了一些多相流管道输送技术的研究工作，采用以泥浆泵为主，先 形成固、液两相流，然后由空压机向运输管道中掺气，形成以“液体为主，气 体为辅”的输送系统，并在湘潭和洛阳电厂的粉煤灰输送系统上进行了工业性 试验，其研究表明：输送重量浓度为3 0 时，可减阻2 0 左右，浓度为1 0 1 5 时可减阻6 - 1 0 ；可实现远距离传输，还可节能、节水；石油大学郑永刚等 人也作了一些研究，所提出的计算模型的理论计算减阻效果可达3 0 。 武汉理工大学在“九五”国家重点科技( 攻关) 项目“大型煤炭海运船舶 及港口装卸成套设备”中的“疏浚工程技术装备研制”进行研究，并应用于 实船试验。他们的研究成果表明在下列情况加气效果比较明显，在加气方式 上采用旋转射流水加气；加气点位于离主泵距离为整个管长的1 0 左右：加 气压力为管压的2 0 左右；加气量在1 5 2 0 之间。实船试验延长排距效果 3 武汉理工大学硕士学位论文 在比较明显。 1 3 2 管道磨损的研究【4 2 卅【4 7 l 【6 3 】 输送管道磨损机理有多种形式，其中冲刷腐蚀是重要的形式之一，广为 国内外研究者重视。冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀性流动介质之间由于相对运 动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀交互耦合作用的结果，通常 认为管道的腐蚀与管道的材质、腐蚀介质的特性及其浓度，以及管道内介质 的流速和流态等因素有关。国外关于管道冲刷腐蚀的研究起步较早，欧美及 日本的科学家在这方面做了大量研究，己有许多著述发表。其中e h c i t z 、j p o s t l e e w a i t e j 和t s y d b e r g c r t o l 等人的研究主要侧重于管线设备的冲刷腐蚀，并 把质量传递、流型、流态同冲刷腐蚀行为相关联，取得了许多重要的研究成 果；星野明彦、松村昌信、冈良则、y m c h a n g 、c h p i t t 和b w m a d s e n “i j 除研究了冲刷腐蚀各参数的影响规律外，还研究了冲刷和腐蚀间的耦合作用； b c s y f e r e h e i t z s h e l d o nw _ d e a n 和松村吕信对冲刷腐蚀实验方法作了研 究和讨论。y u c t ，等人和b a r s l i 。”j ，将总的腐蚀质量损失解析为三部分，强 调协同效应的存在，认为在流动体系中，特别是体系中含有固体颗粒时，金 属材料流动腐蚀速度的增大，主要原因是电化学腐蚀与磨耗之间的协同效应 所致。下图为某种特种钢材冲刷腐蚀前后对比图。 图1 1 冲刷腐蚀前后试件表面的形貌( 1 0 0 x ) 国内对管道冲蚀破坏的研究起步较晚，且与国际水平有一定差距，但也 已获得了一定的成果，主要集中在特定流体在特定材质的管道中流动产生的 冲蚀破坏情况研究。赵会友等对几种不同钢材在浆体冲蚀作用下的腐蚀、冲 蚀磨损行为进行了研究，分析了p h 值和冲击速度等对钢腐蚀、冲蚀磨损的影 响，以及腐蚀、冲蚀之间的机理，建立了钢腐蚀冲蚀磨损率与p h 值及冲击速 4 武汉理工大学硕士学位论文 度之间的三维关系图。吴欣强、敬和民等研究了0 2 3 5 碳钢在高温环烷酸介质 中的冲刷腐蚀行为，并考察了其在工业炼油环境中的抗冲蚀性能；其研究结 果表明，酸值、温度和流速是影响碳钢环烷酸冲刷腐蚀行为的主要因素刘 景军等采用管流式和旋转式两种流动模拟装置，研究了碳钢在单、双相流动 海水中的磨损腐蚀。其结果表明，在相同流速条件下，两种模拟装置所测得 的碳钢流动腐蚀速度很难相同，单用流速不能准确描述流体流动对材料腐蚀 的作用。而材料表面近壁处流体力学参数( 表面切应力、传质系数) 等都与材料 流动腐蚀本质相关。 1 4 研究问题的提出 输送管道中多相流的流场非常复杂，尤其是在流经弯管处流场的扰动特 别大，其流动速度和管流压力等参数发生明显的变化，产生较大的压力损失， 因此，在试验台设计时必须要分析这些变化因素。以往在管道流场参数的理 论分析中，常用的方法是假设流体经过弯管后的速率保持不变，压力损失也 是由经验公式估算，虽然分析计算简单，但存在较大的误差，也不能清楚描 述流体在弯管处的流场变化情况。本文从试验台设计的实际情况出发，综合 考虑管道输送中的工况参数和边界条件，利用有限元软件a n s y s 中的 f l o t r a nc f d 分析功能，对管道流经弯管和喷嘴处速度和压力的变化进行 了数值分析，得出流场中压力和流速的变化情况【3 4 】 3 0 - 3 3 】。 1 5 本文研究的主要内容 第l 章概述，主要阐述课题的来源与意义：分两个方面介绍国内外管道 输送中存在的主要技术现状；分两个方面介绍现阶段管道疏浚中所存在的问 题；和本文研究的主要内容。 第2 章管道输泥模拟试验，主要阐述多相流试验台的组成；试验目的； 试验方案设计；试验数据的获取与分析。 第3 章多相流的管道分析模型，主要阐述了二相流的数学模型和气水固 三相流动的基本参数。 第4 章管道数值模拟分析，主要阐述了软件的选择和介绍的问题：分析 方法；有限元对弯管和喷嘴的分析； 第5 章结论与展望 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 试验目的 第2 章管道输泥试验 试验台主要是模拟挖泥船在疏浚作业时泥质的管道输送，测量初级泵的 流量、扬程等数据，测量管路的流量、流速、阻力大小等参数，测量出加气 量与管道阻力的关系；测出加气量与空气助送设施( 射流泵、压缩空气机) 在一定时间中的功耗；分析了两种加气输送设备的功耗分别相对于泥质、浓 度、初级泵流量的对比情况。最后找出参数最佳匹配关系，说明加气对延长 排距的效果和作用；并比较在延长排距方面，加气与中间接力泵站的各自的 效率问题；将试验台的研究成果通过相似转换关系进一步推广到实船上，使 之发挥经济效益和社会效益【2 4 】 4 0 - 4 1 】。 2 2 试验台组成1 ，2 】【2 5 】 加气助送试验台主要由输送管道、加气装置和搅拌装置组成，如图2 1 所示。 1 、输送管道：包括水池、输泥管、玻璃管、泥泵、电机和控制阀等，主 要是完成泥浆输送。输送管道为一闭循环系统，泥浆从泥池吸出，由排泥管 排回到泥池。管路上安装的两段透明玻璃管的作用是为了观察多相流在管道 中的流动状态。 2 、搅拌装置：试验台的试验介质为水和泥的混合物，在静止状态下它容 易分离、沉降，因此，为了使试验过程中保持泥浆的浓度均匀，特配备一台 搅拌泵来搅拌泥浆，使泥池中的泥浆保持为均匀的悬浮液。 3 、加气装置：包括加气喷嘴、射流泵、空气压缩机、空气瓶、各种气阀 和气液混合装置。从主泥管上引出一支管到射流泵的入口，流体经射流泵增 压后与压缩空气一起通过加气喷嘴重新加入到主泥管中。喷嘴安装在泥管9 0 0 拐角处，通过喷嘴使压缩空气加入泥管，并与泥浆均匀混合。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 三相流管道试验系统 其中的关键部位旋转射流喷嘴的结构如图2 2 所示。由加气减阻的机理得 知，加气方法、加气参数得当可获得较好的减阻效果，加气后较为理想的状 态是在管道四壁形成一个封闭环形水气薄膜。而喷嘴作为加气的关键装置， 设计是否合理对加气的减阻效果有很大的影响。试验采用旋转射流加气赜嘴 向输泥管加气。 螺旋形气道 图2 2 喷嘴结构示意图 7 武汉理工大学硕士学位论文 经射流泵增压后的高压射流水，以一定的角度高速喷入，其切向速度使 射流水沿圆周形腔壁旋转，以轴向进气孔为中心形成空气涡产生负压，有自 动吸气功能；轴向速度使射流水向前喷射。轴向加气孔并不是一个直通的孔， 从空气压缩机来的空气是从轴向加气孔的圆周管壁上密布的小孔喷出，与射 流水形成部分混合，加强旋转射流的轴向速度。在其内腔锥形出口处，轴向 速度加快；在切向速度和轴向速度的作用下，射流水、气混合物以螺旋形轨 迹从锥形出口射出。另一路压缩空气从切向加气孔进入喷嘴，沿螺旋形气道 在锥形出口处与旋转射流水碰撞，空气被碎成细小气泡，因脱离约束形成锥 环状射流喷向主管壁。这样由于加气压差减少，避免过大的动能交换，限制 浆体加速过快，引起阻力上升，对减阻效果较为有利。通过调节螺旋形气道 的宽度可以调节加气量上限值的大小。 2 3 试验方案设计 2 3 1 正交试验设计原理 4 5 - 4 6 】 正交试验设计是利用规格化的正交表来设计试验方案的多因素优选方 法。为了确切而客观的总结出优秀试验方案，需要对各因素的各种试验条件 进行完全的组合，逐个地进行试验。比如对7 个两位级的因素，如果各因素 的各位级都互相搭配进行全面试验，就要做2 7 = 1 2 8 次试验，而6 个7 位级的 因素都相互搭配进行全面试验，就要做7 6 = 1 1 7 6 4 9 次试验。衡量一个试验方法 是否科学合理的准则是：第一，尽可能多考察一些因素；第二，尽可能减少 试验次数；第三，少数次试验的结果能够反映全面试验的内在规律，具有代 表性；第四，能够通过对少数次试验结果的分析和处理探求可能更优试验方 案。科研人员在实际经验与理论认识的基础上，总结出一种只需做少数次试 验而又能反映出试验条件完全组合的内在规律的方法，就是多因素优选的正 交试验设计方法。如用正交表l 8 ( 27 ) 安排7 个两位级的试验只需做8 次。 如果能正确地、灵活地运用正交试验设计方法，就可能做到在较短时间内， 用较少的费用取得理想的效果。 2 3 2 试验步骤及主要测试参数 按照由清水到浆体、由泥质到沙质、由细颗粒到粗颗粒、由低浓度到高 浓度、由小运行参数到大运行参数、由小气量到大气量的参数调节方式和顺 8 武汉理工大学硕士学位论文 序，进行如下系列试验在试验过程中，用数据采集系统采集管道中浆体和 气体介质的流量、输送管道沿程多点处的浆体压力、各泵的功率消耗等参数。 在试验进行过程中，共需做5 类输送试验测试，即：( 1 ) 仅仅主泵工作时的变 输送流量试验；( 2 ) 主泵与射流泵同时配合工作时的变输送流量试验；( 3 ) 主泵 与加气喷嘴同时配合工作时的变输送流量变加气流量试验：( 4 ) 主泵、射流泵 和加气喷嘴同时配合工作时的变输送流量变气体流量试验；( 5 ) 主泵与中间接 力泵同时配合工作时的变输送流量试验。在上述试验中，前4 种试验一起做， 后一种试验单独做，尽量减少测试中参数调节的次数。 在所有的输送试验中，各个试验的参数的组合见表2 1 。 表2 - 1 对于某一中泥质的试验参数表 泥质浓初级泵流加气体积流 二级泥泵相对于加气输 泥质 送具有相同管道特性时测量参数 度量量 参数 q q l转速、功率矽 q q 2转速、功率矿 办1 1 ) 泵特性 踟 转速、功率矽 q q 4转速f i r , 功率旷 曲线； q q t转速、功率矿 2 ) 管路特 g 2 转速、功率矿 性曲线； 粘土 如 3 ) 相周函， q q 3 转速、功率矿 或细沙 仇 q q 4 转速、功率矿 相同管道 ( r h 输送特性 或粘土 绒i 转速、功率矿 r h ) 条件下，加 踟 踟 转速、功率妒 气助送与 q q 3 转速 ，、功率矿 二级泵送 q q 4 转速、功率矽 功耗对比 q q l转速、功率矿 曲线， q q 2 转速 ，、功率矽 q 如 转速、功率矽 转速、功率矿 2 3 3 疏浚管道模拟试验方案的设计 多相流试验方案是采用我国自行设计的一套正交表来安排的。本论文以 9 武汉理工大学硕士学位论文 试验介质为泥浆时为例来说明正交表在多相流试验中的应用。试验的评价指 标为延长排距效果和功耗，选取流量、加气压力和介质的浓度为试验因素， 因素位级表如表2 - 2 所列。 表2 - 2 试验因素位级表 因素 主泵频率值h z加气压力朋p a介质浓度( ) 占入a bc 12 0o 1 01 0 2 2 5 o 1 51 5 33 0o 2 02 0 43 5o 2 52 5 54 00 - 3 03 0 本试验为5 位级的试验，所以选用l 2 s ( 5 6 ) 的正交表。采用正交拉丁方 的方法构造正交表。用n 个不同的拉丁字母排成一个n 阶方阵( n = 2 5 6 ) ，如 果每个字母在任一行、任一列中只出现一次，则称为这种方阵为n x n 拉丁方。 如果对第一个拉丁方排列着相同字母的各个位置上，第二个拉丁方在同样的 位置排列着不同的字母，则称这两个拉丁方为互相正交的拉丁方，简称正交 拉丁方。在正交表上写出5 位级的两因素的基本列。再把每个数字拉丁方的1 、 2 、3 、4 、5 行分别按顺序连成一列，共得4 列，把这4 列加到基本列后就构 成了一个6 列2 5 行的矩阵。从而得出1 a 5 ( 5 6 ) 的正交表如表2 3 所示。 表2 - 3 试验方案表 心 主泵加气介质 因 主泵加气介质 位螂 频率值压力浓度 位趴素 频率值压力浓度 i z m p a( ) h zm p a ( ) 试验号 abc试验导abc 111l1 4341 2l221 5352 31331 64l4 41441 7425 51551 8431 62l21 9442 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 续表2 - 3 试验方案表 厨 主泵加气介质 圜 主泵加气介质 逸趴素 频率值压力浓度 逸趴素 频率值压力浓度 试疆弓心 压l zm p a ( )试验夸心 h zm p a ( ) abcabc 7 2 2 32 0453 8 2342 15l5 92 452 2521 l o 2 5 1 2 3 532 l l3l32 4543 1 23242 5554 1 3335 表中的数字表示当前列因素的位级，与因素位级表相对应。如果要进行 全面试验，那么需要进行1 2 5 次试验，但是采用正交试验方案设计，只需进 行2 5 次试验，而且这2 5 个试验中各因素的每个位级的搭配都是均衡的。从 这2 5 个试验结果就可以分析每个因素对试验指标的影响【3 1 郴】。 2 3 4 试验步骤 2 3 4 1 清水不加气输送试验 在输送工质为清水的条件下，仅仅启动主输送泵输送清水，此时不开动 加气助送和中间接力泵助送装置，进行主泵在不同流量时的清水试验。 试验过程中，利用变频器和p l c 变频控制系统调节主泵的驱动电机工作 交流电源的频率，来改变主泵流量，使输送管道中流量值分别保持在4 0 m 3 7 h 、 5 0 m 3 h 、6 0 m 3 h 、7 0 1 m 3 h 、8 0 m 3 h 、9 0 m h 、l o o m 3 h 等左右，用数据采集系 统采集输送管道多点处沿程压力、泵的瞬时流量及主泵消耗的功率。 2 3 4 2 清水加气输送试验 ( 1 ) 在输送工质为清水条件下，利用变频器和控制系统调节主泵转速并保 持主泵流量为4 0 m 3 h 左右，进行不加气而开动射流泵的输送试验，采集输送 管到沿程多点的压力、主泵和射流泵的功率、输送管道流量等参数； 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在输送工质为清水条件下，保持主泵流量为4 0 m 3 h 时进行加气而不 开动射流泵的输送试验。通过调节加气管道的减压阀来改变加气喷嘴的加气 压力，在加气的气体压力值分别为0 0 5 m p a 、o 0 8 m p a 、o i o m p a 、0 1 2 m p a 、 0 1 5 m p a 、0 2 0 m p a 、o 2 5 m p a 、0 3 0 m p a 、0 3 5 m p a 的情况下，用数据采集系 统分别采集输送管道的沿程压力、功率和流量等参数； ( 3 ) 在输送工质为清水条件下，保持主泵流量为4 0 m 3 h 时进行加气且开 动射流泵的输送试验。通过调节加气管道的减压阀来改变加气喷嘴的加气压 力，在加气的气体压力值分别为0 0 5 m p a 、0 0 8 m p a 、0 1 0 m p a 、0 1 2 m p a 、 0 1 5 m p a 、0 2 0 m p a 、0 2 5 m p a 、0 3 0 m p a 、0 3 5 m p a 的情况下，用数据采集系 统分别采集输送管道的沿程压力、功率和流量等参数； ( 4 ) 在输送工质为清水条件下，通过变频器和控制系统调节主泵的转速， 改变主泵输送流量。在主泵流量值分别保持为5 0 m 3 h 、6 0 m 3 h 、7 0 m 3 m 、8 0 m 3 h 、 9 0 岔h 、l o o m 3 h 左右时，重复上述( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 中的各种试验，并用采集系 统采集输送管道的相应参数。 2 3 4 3 清水中间接力泵输送试验 在输送工质为清水条件下，通过变频器和控制系统调节主泵的转速，改 变主泵输送流量，让主泵流量值分别保持为4 0 m 3 h 、5 0 m 3 h 、6 0 m 3 h 、7 0 m 3 h 、 8 0 m 3 h 、9 0 1 1 1 3 1 1 、l o o m 3 h 左右。在每个主泵给定流量下。以输送管道在主泵、 射流泵和加气喷嘴同时工作且在相应主泵流量条件下测得的管道沿程中压力 比较稳定的压力表的参数为控制参数，通过中间接力泵电机的变频器及控制 系统调节中间接力泵驱动电机转速，达到输送管道在主泵、射流泵和加气喷 嘴同时工作时的压力，测试此时的中问电机的功率，便于比较。 2 4 试验数据的获取与分析 2 4 1 试验数据与处理 在不同电机工作频率下测得的数据见附录1 。 图2 3 为主泵在5 0 t t z 的频率和输送工质为清水条件下，由管道上的传感 器测得的压力随管道延长的曲线。 武汉理工大学硕士学位论文 印h 2 管道压力营长曲境 图2 - 3管道压力一管道长度曲线 图2 4 是在1 2 0 r a m 在不同频率下加入不同气体流量的时候管道阻力系数 变化情况。 图2 - 4 管道阻力系数一气体流量曲线 在保持主泵转速恒定的条件下，对于管径为1 2 0 r i o n 的输送管道，在加气 量小于8 m 3 h 时，管阻系数变化很小，但在加气量大于8 m 3 h 时管道阻力系数 武汉理工大学硕士学位论文 增加较快；泥浆浓度增加时，管道阻力系数变小。 图2 - 5 是在不同压力下随着管道流量的增大过道阻力系数变化的情况。 在保持加气压力不变的情况下，随着主管流量的增加，管道阻力系数减 小；泥浆浓度不同，管道阻力系数发生相应变化。 2 4 2 阻力损失机理分析 在生产实践中，管道输送固体物料最关心的问题是临界不淤速度和管道 的阻力特性。研究的主要目的在于如何合理选择设备及运行工况以减小管道 输送的阻力损失和管道及设备的磨损。管道输送清水的阻力特性前人已做了 大量实验，得出了在实际运用中较为理想的半经验公式。管道输送固体物料 的阻力特性比清水复杂的多，不同的流动状态其阻力变化规律也不一样。 早期的研究中阻力损失是基于苏联学者m a b c n n k a h o b1 9 4 4 年提出的重 力理论，并认为管道阻力损失( 水力梯度) k 。为两部分组成，分别为清水水力 梯度和固体存在引起附加水力梯度。然而大多数工业管道中颗粒的分布较宽， 在输送流速下，颗粒总是有分选沉降的趋势，部分颗粒可在输送过程中始终 保持悬浮状态，而另一部分则在管内底壁作推移运动，消耗额外的能量。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 阻力损失 流体在流动呈现的层流和紊流( 湍流) 两种状态，与流体的流速有关， 流速高于上临界流速嵋，管内流动成为紊流，流速低于下临界速度，管内 流动就变为层流。而临界流速由流体的雷诺数r e 决定，与上临界流速对应的 为上临界雷诺数r p ，与下临界流速对应的为下临界雷诺数r p l ，而当流体的 雷诺数处于r e i r p r e 时，可能是层流也可能是紊流，状态极不稳定，所以 一般工程上上临界雷诺数r p 没有实际意义，通常取下临界雷诺数胄自作为 判断层流或紊流的准则。 re：丝(2-n 卢 式中，p 为流体密度( k g m 3 ) ；v 为管内流体的平均流速( m ，s ) ；，为所 要计算的水力特征长度( m ) ；为流体粘度( n s m 2 ) r e 为雷诺数，无量 纲。 流动阻力与流动状态密切相关，粘性流体的内部流动与理想流体流动的 最大区别是存在流动阻力，流动阻力的存在使流体流动中出现能量损失，流 体内部总机械能不再守恒，流动阻力损失h 。即为粘性流体作内部流动时，由 于流体阻力引起的能量损失，简称阻力损失。它由缓变流流动的总沿程阻力 损失一v h f 和在急变流处产生的局部阻力损失 两部分组成，即： k = e h f + h j ( 2 - 2 ) 沿程阻力损失，简称沿程阻力或沿程损失，是发生在缓变流流程中的能 量损失。在层流状态下，沿程阻力完全是由粘性磨擦产生；在紊流状态下， 一部分由附面层的粘性磨擦造成，但主要是由流体微团的迁移和脉动造成。 单位重量流体的沿程阻力损失可用达西( d r a c y ) 公式表示“叫： 以= a 三旦( 2 - 3 ) d2 9 i 式中，以为沿程阻力损失；，为管道长度；d 为管道内径；v 2 2 9 为流体的 动压力( 速度水头) ，其中矿为管内流体流速：五为摩擦阻力系数，主要与流 体流动的雷诺数，管壁粗糙度以及由雷诺数决定的流动状态层流或紊流 有关。 局部阻力损失，简称局部阻力或局部损失。是发生在流动状态急剧交化 的急变流中的能量损失，它主要由在弯头、闸门等管件处流体微团的碰撞、 武汉理工大学硕士学位论文 漩涡等造成。单位重量流体的局部阻力损失表示为： 矿2 | i i ，= f 壬一( 2 q z g 式中，_ l ；! ，为沿程阻力损失；f 为局部阻力系数，是一个无量纲的系数，由 实验确定；其余符号意义与沿程阻力算式相同。 由加气所产生的减阻效果，是指引起沿程阻力损失的粘性摩擦力减小， 也就是式( 2 - 4 ) 中的a 值减小。所以在本试验中，主要关心的是沿程阻力的 计算。由于局部阻力比较小，计算中忽略不计。 2 4 4 加气延长排距机理分析 关于两相流加气的减阻作用，认为是气体掺入后浆体水流内部结构及运 动发生了很大变化的缘故，其机理表现在两个方面： ( 1 ) 固液两相流加入适量气体后，一方面助长了水流内部紊动强度，使 浆体中较密实的絮凝网状结构遭到破坏，颗粒间、层与层间、浆体与壁面之 间被微小气珠加入，浆体内部粘度内摩擦阻力及边壁切应力变小；另一方面， 雾状微小气珠的运动及小气泡在紊动中掺混、破碎以及上浮作用，在阻滞固 体颗粒下沉的同时易将管底较粗的颗粒冲起向上悬浮，使浓度和颗粒在沿垂 直管轴线方向分布变得较均匀，从而减小粗颗粒直接磨擦管壁的机会，其结 果表现为管道输送阻力减小。 ( 2 ) 加气后，管周壁形成一个封闭式环形水气薄膜，使管壁变得光滑。紧 贴壁面边界层厚度由水气膜取而代之，使整个边界层的质量密度、粘度及流 速梯度变