（机械电子工程专业论文）管道输沙阻力特性研究.pdf

摘要 随着浆体管道输送技术在冶金、煤矿、化工、水利和环保等工业领域广泛应 用，对两相流动的研究越来越引起了众多学者的广泛关注和兴趣。研究重点主要 集中在管内流动状态、浓度和速度分布、临界流速及阻力损失计算四个方面。作 为管道输送工程设计的核心内容之一，管道阻力特性的研究具有重要意义。管道 输沙阻力损失计算也是江河湖泊、港口航道疏浚工程中的一个基本问题，它是设 计输送系统的重要参数，直接关系到动力设备的选型和运行的能耗。本文重点以 疏浚工程中泥沙的输送为研究对象，对管内两相流动的阻力特性及临界流速问题 进行了初步研究。 本文实验研究了中值粒径d 。= o 3 8 r a m 泥沙在不同的浓度和速度下的阻力特 性及临界流速，对已有的阻力损失和临界流速计算模型进行了检验、分析和评价。 关键词：泥沙水力输送、数学模型、阻力特性、临界流速 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ep i p e l i r et r a n s p o r tt e c h n o l o g y in i 1 d u s t r i a lf i e l d ss u c ha sm e t a l l u r g y ，c o a lm i n e s ，c h e m i c a lp r o c e s s e sa n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t l o n ，m o r ea n dm o r es c h o l a r sp a ya t t e n t l o nt oa n de n g a g e l nt h er e s e a r c ho ft w o - p h a s ef 1 0 w t h e r ea r ef o u re m p h a s e si nr e s e a r c h ， f o ri n s t a n c e ，f l o ws t a t ei np i p e l i n e ，d i s t r i b u t i o no fc o n c e l t r a ti o na n d v e l o c i t y d e p o s i t i o n l i m i tv e i o c i t ya n dc a l c u l a t i 0 1 o ff l o wr e s i s t a n e e o nh e a d1 0 s s a soneo ft h ek e yp o i n t si nt h ed e s i g no fap i p e l i n et r a l s p o tt s t u d yo nt h ef l o wr e s i s t a n c eo fp i p e l i n es a n dt r a n s p o r t is0 fg r e a t s i g n i f i c a n c e c a l e u l a t i 0 1 o ft h ef l o wr e s i s t a n c ei sa l s ot h eb a s i ep o b l e m i nd r e d g i n ge n g i n e e r i n go fr i v e r s ，l a k e s ，h a r b o r sa n dw a t e r w a y s i ti s a ni m p o r t a n tf a c t o rt ot h ed e s i g no ft h es a n dt r a n s p o r ts y s t e m ，b e c a u s e itd i r e c t l yd e t e r m i n e st h ec h o i c eo fp o w e rd r i y e sa n do p e r a t i o nc o s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es a n dt r a n s p o r ti nd r e d g i n ge n g i n e e r i n ga n d s t u d i e st h ef l o w f r i c t i o n h e a dl o s sa n dt h ed e p o s i t i o n 一1 i m i tv e l o c i t v t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ff l o wr e s i s t a n c ea n dd e p o s i t i o n 一1i m i t v e l o c i t yu n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa n df l o wv e l o c i t i e si sc a r t i e d o u t t h ep a r t i c l em e a nd i a m e t e ri se q u a lt od j 产o 3 8 r a m c a l c u l a t i o n a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no nt h em o d e l sf o rt h ef l o wr e s i s t a n c ea n d d e p o s i t i o n l i m i tv e l o c i t yarep r e s e n t e d k e yw o r d s ：s a n dh y d r a u l i ct r a n s p o r t ，m a t h e m a t i c a lm o d e ls ，f l o w r e s i s t a n c e ，d e p o s i t i o n l i m i tv e l o c i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管道输送技术的发展概况 ( 1 ) 管道输送技术的发展 浆体管道输送在学术研究上属于固液两相流的流体力学问题，是以液体( 通 常为水) 作为载体通过管道输送颗粒物料的一种运输方式。现代管道输送起始于 1 9 世纪中叶，在初始阶段，只有个别国家采用小管经、短距离的管道进行水力 输送固体物料的研究，输送的浆体浓度较低、年输送量也较小，尚属于小规模的 试验探索时期。1 9 0 6 年，奥布莱思、海伍德进行了有压管道内浑水运动特性的 研究，特别是布莱奇发表了固液混合浆体的首批室内试验研究报告，为管道输送 技术的发展奠定了基础【1 4 】。 第二次世界大战到7 0 年代，随着工艺技术的突破，管道水力输送有了大规 模的工业应用，世界各国也相继对固体物料的管道输送进行了较深入的理论和试 验研究工作，管道水力输送的研究取得了很大的进展。5 0 年代初，众多学者发 表了一系列很著名的论文，论述了室内试验研究成果，并以此为根据建立了经验 公式，相继发表了一系列的文章，这些研究成果对浆体管道输送工程设计具有重 要指导意义口。“j 。 近年来，越来越多的国家采用管道水力输送固体物料，输送固体物料的品种 也达到2 5 种之多，年输送量、输送管径以及输送距离都有了很大的提高。无论 在基本理论还是在试验技术方面，都有了极大的进展，可见这门新兴技术具有广 阔的应用前景。表卜1 为国外长距离浆体管道输送工程实例【2 3 1 。目前国外管道 主要向着大口径、高压力管道，采用先进的输送工艺、高效、可靠的输送设备和 提高自动化水平方向发展【l 、7 j 。 我国管道水力输送技术的应用相对较晚，直到5 0 年代后期，才开始利用管 道水力输送土方修筑堤坝。6 0 年代以后，先后将管道输送技术应用于水利部门 的疏浚工程，火力发电厂的除灰系统，采矿工程中的水力开采、水砂充填，选矿 ，一的精矿和尾矿的输送，化学工业中物料的水力及气力输送等，但一般都是短距 离、低浓度输送。近年来建设的一些管道，引进了国外的先进技术，对部分老管 道进行了更新改造，从而使我国管道输送技术水平有了很大提高【8 j 。有关设计、 科研机构和大专院校结合生产，对阻力损失、临界流速、最佳浓度、最优输送管 径等一系列关于管道输送固体物料的问题进行了大量深入的试验研究和理论探 讨工作，并取得了有益的成果，极大地推动了管道水力输送技术的发展。但由于 我国对管道输送技术研究较晚，理论基础及应用研究较为薄弱，实验条件不够完 善，与国外相比在管材、输送工艺、设备、自动化、施工等方面还有定差距【。 表卜2 为国内长距离浆体管道输送工程实例 2 】o 川j 海人学工学。论义 表卜l国外长距离浆体管道输送工程实例 长度管径年输送量 国家 地点 输送物料 ( k m )( m m ) ( 万l 年) 美国黑迈萨煤4 4 04 5 7 4 5 0 前苏联别洛夫斯克电厂煤 6 l3 0 51 9 0 l 美国饿亥俄州煤1 7 32 5 4t 3 0 i 波兰上西里西亚煤2 1 02 5 4l o o 巴西萨马科铁精矿3 9 75 0 8 4 5 71 2 0 0 印度库都拉穆克铁糖矿 6 64 5 77 5 0 表卜2国内长距离浆体管道输送工程实例 长度管径年输送量 厂名物料 ( k m )( m m )( 万t 年) 长城输煤管线 煤9 9 59 6 5 3 0 0 0 长江输煤管线煤8 3 86 1 01 5 0 0 瓮福磷矿磷精矿 4 42 2 8 62 0 0 宜昌磷矿磷精矿 1 1 02 8 51 9 0 表卜3各种运输方式运煤的效率比较 单位生产率 t k m 的功率消耗量 运输方式( 以管道 k g 马力 马力 为1 0 0 ) 公路 5 0 1 5 00 2 01 3 0 0 铁路 2 0 0 6 0 0o 0 53 0 0 水路2 0 0 0 5 0 0 0o o o l 51 0 0 0 空运1 3 1 o7 0 0 0 管道 4 0 0 0 3 0 0 0 00 0 0 1 51 0 0 ( 2 ) 管道输送的特点 1 01 1 1 2 】 管道水力输送与传统的运输方式( 铁路、公路、水运、空运) 相比，具有许 多独特的优点，主要表现在： ( 1 ) 基建投资少、建设周期短、建设速度快。美国4 4 0 k m 的黑迈萨管道只用 了l j 个月的建设时间。施工快，相应的施工费用也少，管道也早投产早见效。 ( 2 ) 能耗小、运营费低、运输成本低运、运行能力大、效率高。直径1 m 的 煤浆管道，年输送量可达1 0 0 0 万吨。表1 3 为各种运输方式的效率比较。 ( 3 ) 受地形限制少，易于克服自然地形的障碍。管道铺设的允许坡度可达 1 6 ，可以克服较大的高程差，而铁路最大只能达到3 ，因此管道选线灵活性 大，可取捷径，管道比铁路一般可以缩短2 0 3 0 。 ( 4 ) 安全可靠、几乎没有粒料的耗损。 第一章绪论 ( 5 ) 管道埋设在地下，占用农田很少或者不占用农f 目，而铁路沿线就需要 3 0 m 宽的土地。 ( 6 ) 管道输送对环境影响小，对自然生态基本无破坏作用，且运行不受气候 条件的影响。 ( 7 ) 可以实现连续运输，没有铁路公路运输方式的车厢空载回程问题。 ( 8 ) 管道输送的坏节少，相应的维护简单，便于实现自动化控制，因此可以 很大程度上减少建设工程量、管理人员和辅助生产设备。长4 4 0 k m 的美国黑迈萨 管道全线管理人员仅为5 4 人。 当然管道水力输送也存在着一定的缺点。比如输送物料品种单一，只能输送 一种或者几种与水混合不会产生物化反应的颗粒状物料，调节运量的适应性较 差。管道只能定向定点输送，不能象其它输送方式那样可以向任何多点不定量输 送。耗水量较大，缺水地区采用管道水力输送方式时，需要花费较多的投资丌采 水源或采取循环供水措施，并增加电能的消耗。易碎物料在输送过程中的细化问 题不易把握，对输送前后的制浆和脱水方面也都有待于技术水平的提高。 ( 3 ) 管道输送在疏浚工程中的应用 在疏浚工程中，疏浚物的输移方式主要有两种：装载运输和管道输送。挖掘 起来的疏浚物由泥驳、自航耙吸船装载运输是常见的事情，对于某些数量不大或 未经稀释疏浚物也有用输送机或装载车来运送的。但是由于装载运输是问歇性 的，它迫使某些可以连续运行的疏浚作业只能间断的进行，造成了极大的不便。 而管道输送可以保证连续的进行，并且只要管道本身不存在泄漏问题，尽管在整 个输送过程中，疏浚物始终处在运动之中，其中的悬浮物是绝对不会对环境造成 不良影响的。因此，管道输送在疏浚工程中得到了广泛的应用。然而，由于国内 对管道输送技术的理论基础及应用研究较为薄弱，实验条件缺乏，与国外相比在 管材、输送工艺、设备、自动化、施工等方面还有一定的差距。因而管道水力输 送的研究对我国疏浚业的发展是至关重要的【1 3h 1 ”。 1 2 管道输送技术的重点研究问题 作为一门新兴综合性技术，管道水力输送涉及到多门学科，主要归结为管道 内固、液两相流的研究。固、液两相流动时流动系统中存在固、液两相且两s h i b j 存在动态相互作用的流动。固、液两相问的相互作用是指两相间的质量、动量和 能量的传递。固、液两相流的研究已有近百年的历史了，特别是近四、五十年来 的研究工作，积累了丰富的试验资料和应用经验，取得了很大的进展。纵观固、 液两相流近百年的研究历史，主要可分为两大阶段。第一阶段是d u r a n d 和n e w i t t 为代表的试验研究阶段，他们通过广泛的系统试验，用经验分析的方法，提出两 相管流分区的概念，并建立了各种流态下的阻力损失计算公式 1 6 】；第二阶段是以 r o o o 、s h o o k 、a y u k a w a 、w a l l i s 等为代表的以分析物理过程为主的理论研究阶 y 可海人学t 学颤上沦义 段，他们通过理论上的分析，对固、液两相管流的基本方程、流速分布、浓度分 布、阻力损失及两相体的紊流结构的进行了深入的研究f 21 ”。 管道水力输送技术所涉及的重要问题很多，但从技术应用的观点来看，其中 最主要的是阻力损失、管内流动状态、浓度和速度分布和临界流速。 1 2 1 阻力损失 _ u 州 馨 妖 * 0 图卜i 两相流的阻力特性 q ( m s ) 固液两相流的阻力特性与单相流的阻力特性相比，有着本质的不同，在定 管径、一定浓度的情况下，两相流的阻力特性通常如图卜l 所示。由图可见，由 于固体颗粒的因素的影响，两相流的阻力特性远比单相流的阻力特性复杂。 值得一提的是近年来数值计算方法已经开始用于两相流阻力损失的预测， r o c o 、s i v e 、a s a k u r a 、m o n j 、许振良等发表了一系列有关这方面的文章【1 8 l 。这 些研究者认为，随着对两相流机理的不断认识的不断深化及实验资料的积累，使 得采用数值计算方法来解决较为复杂的管道两相流动问题成为可能。另外，与早 期的研究方式不同，近年来国内外学者也研究了流变参数预测浆体管道的摩阻损 失计算问题，韩旭、张奇志等人用人工神经网络法来预测阻力损失f 1 ”】，鞍山 冶金设计研究院的张士海、孟哲锋也研制了计算机软件预测流速及阻力损失1 2 ”， 秦宏波、自晓宁【2 2 等在c f d 的管道固液两相流体输送的数值计算等问题都取得了 一定的突破，也为管道阻力损失计算提供了一个方向。 1 2 2 管内流动状态 由于管道输送的固液混合物是在液体中掺入了固体物料，属于两相流动的研 究范畴，与单相流的流型分类有了截然不同的区别，它除了具有水力学一般性质， 还具有它本身独特的性质。与单相流相比，除了层流与紊流之分外，管道两相流 的流型划分还要根据固液两相问的相对位置、相对含量和相对速度等因素来划分 为各种复杂的流型。由于影响两相流的因素众多，相对关系复杂，测试相对困难， 第一章绪论 几十年来各国学者根据对流动机理的分析和实验提出了许多用来确定流型分类 的标准，但迄今对此尚无统一的看法。 n e w i t t 【2 3 l 很早就进行了两相流流型的研究，他对管道直径d = 2 5 m m 和1 5 2 m m 的水平管道进行了研究，观察了水平管道内的不同流动方式，并分为四种流型： 均质流、非均质流、推移层流动和固定沉积层流动。根据他的流型判别式，进而 提出了流型图，如图卜2 所示。他在这里把流动状态分得比较详细，实际上根据 w a s p 的定义，非均质悬浮流动、推移层流动和固定沉积层流动均属于非均质流 的范畴。严格地讲，真正地均质流是不存在的，应该属于伪均质流或拟均质流， 在管道水力输送中，这两种流动状态都会遇到。但需要指出的是，n e w i t t 的流 型图并不能准确的区分各个流型，因为至少看来，从一种流型转变为另种流型 要有一定的变化过程而并非是突变的。 在此之后，t u r i a n 【2 4 l 在前人实验成果的基础上进行了广泛的收集、整理，并 做了大量的补充实验。他对2 8 4 8 个实验数据作为分析，定义了流型准数风，并 据此提出了新的流型分布图，如图卜3 所示。 吨 警 青抗根层的巍动 赢匿0 1 墨 均质械动 ( 掘区3 ) 图卜2n e w i t t 的流型图图卜3t u r i a n 的流型酗 另外，还有r o c o 、d u r a n d 、w a s p 、佐藤博等人对流动状态的划分标准这一 多年来众多学者争论的一个焦点问题做出了艰辛的努力，但是由于管道中的流动 状态与固体浓度、相对密度、颗粒粒径、管内流速和管道直径等多项因素有着密 切的联系，现象过于复杂，目前尚无统一的定量指标【2 5 2 6 1 0 1 2 3 浓度和速度分布 在管道两相流动中，要说明阻力损失等问题，必须了解表示流动机理的浓度 和速度分布，这也一直是许多从事两相流研究的专家学者所关注的重要问题之 ，其两者相互影响的机理和理论关系的研究有助于安全、经济、可靠地进行管 道的设计和运行。管道两相流动时的速度分布明显受固体颗粒浓度分布的影响。 浆体平均流速一定的时候，随着浆体内固体颗粒浓度的增加，浆体断面速度分布 与清水断面速度分布相比则变得越来越不对称，越接近管道底部，浆体速度变小 的趋势就越明显，管道底部是否出现滑动层甚至静止堆积层，明显地受到这一变 化趋势的影响，而不是仅仅取决于浆体流动的平均速度。因此，对它的研究也是 非常有意义的。 早期的研究主要是以试验为主。1 9 5 3 年，曾在d = 1 5 0 m m 的管道中对d “= 0 1 8 m m 和d = ；。= 2 0 4 m m 的两种泥沙进行了浓度和速度分布的试验。后来鲇川恭二、 b r o w n 、r o c o 、朝仓国臣等人又在不同的管径下对不同的泥沙进行了试验研究， 并提出了一些相应的速度分布计算模型。这些模型大多采用数值解法，求解关于 浆体的运动方程、扩散方程及能量方程的偏微分方程组【1 7 2 5 o 近年来，许振良教 授等人从清水和固体颗粒之间的动量传递分析入手，分析了管道内浆体流动时， 清水与固体颗粒之间的相互作用机制，就管道内颗粒浓度分布与浆体速度分布的 关系等提出了新的理论分析方法和相应的理论公式( 2 6 1 。a l a j b e g o v i c 、魏进家等 对管道密相液固两相流动进行了数值研究【2 7 i 。张兴荣则提出了高浓度管道输送中 的速度分布计算模型【2 8 。图卜4 为不同流动状态下浓度和速度分布与流动状态的 关系图。 浓度分布速度分布魄动状态 y i dky d 1 卜 书 均质魂 0 5 f i 】k 一心 0 l - f 。 i o k 。 y d 0 5 “。卜 非均成1 j l c 0 l 玉o0 5 f 0 “o 一 有推移层的 非均质流 iw n 0l z 心 1 0 卜 k 0 l 二i “ 求 ky | d 。0 f 、 有沉积层的 n 5 非均质流 0 _ 盘c 。i 匕笔匕 图卜4 不同流动状态下浓度和速度 第章绪论 1 2 4 临界流速 长期以来，国内外许多学者对临界流速的研究进行了大量的工作，取得了很 多有价值的研究成果，也提出了不少临界流速的计算公式。但到目前为止，关于 临界流速的定义就众说纷纭。d u r a n d 使用“极限淤积流速”，指管道底部刚出现 颗粒淤积时的流速。川岛俊夫使用“临界淤积流速”，采用观察管道中颗粒运动 状态的方法，当颗粒在管底出现间断跳动时，若流速进一步降低，固体颗粒在管 底开始出现固定床层面，相应这时的流速称为临界淤积流速。也有学者将断面平 均流速与阻力损失的关系曲线上阻力最小的流速定义为临界流速。国内研究者费 祥俊、王绍周、张兴荣等人使用“临界不淤流速”，指的是固体颗粒从悬浮状态 转入在床面滑动或滚动时的流速【l “。白晓宁等人曾在文献中作过讨论，并比较了 三种典型的流速，即极限淤积流速或临界淤积流速v 。阻力最小流速v 。和临界 不淤流速v 。的关系，如图卜5 所示。当颗粒粒度较粗并且均匀时，v 。! 和v 。可 能重合。 h 型 型 r * 0 v 。lv n v 。3v 图卜5 三种不同临界流速的比较 由于对临界流速的定义不尽相同，加上实验手段各异，试验条件各不相同， 观察时的判断因人而异，试验仪器的误差，处理试验数据方法的差异，导致了大 量l 临界流速的计算公式不尽相同，各个公式的适用范围也不同，到目前为止，还 没有统一的表达式。国外有d u r a n d 、w a s p 、d a v i e s 、g a v e 等，国内有王可钦、 韩文亮、刘德中、丁宏达、李培芳、王绍周、费祥俊、张兴荣等人在大量试验的 基础上提出了各自的经验或半经验性的公式旧2 9 30 1 。这些公式考虑的因素大体 相同，但同一条件下采用不同的公式计算，其结果差异很大，甚至会出现完全相 反的变化规律。这是由于影响临界流速大小的因素错综复杂，变化机理还没有完 全被人们弄清。 ”1 f 大学t 学颂e 论文 1 2 5 理论研究 两相流动可以采用宏观和微观两种方法来研究。相应的理论分别称为两相流 动宏观的连续介质理论和微观的运动理论。从两相流动创立至今主要采用了宏观 方法。宏观的连续介质模型又可分为如下几类l l “ ( 1 ) 分流模型，对于分层流动这种有着较固定分界面的两相管流可与单相 管流一样将各相假定为连续介质。 ( 2 ) 流体模型，把两相流动中的各相都分别假设为连续介质，它们同时充 满整个流场。各相流动参数在相间界面发生间断，通过相间界面各相产生质量和 热量的传递。 ( 3 ) 扩散模型( 或称单流体模型) ，均质流模型是它的特例。假如相互作用 着的流体构成了一种新的物质，常被称为混合物且连续充满整个流场。对混合物 用一组混合流动参数描述，而每相的参数与混合物之间用扩散方程联系。 两相流动微观理论的运动理论相应于单相气体中的气体运动论。这种方法对 气固或液固两相管流比较合适。对固相的一个个颗粒，看作类似于气体分子运动 论中的分子，而对于液体相可有两种不同的考虑，即用分子描述或用连续介质模 型描述。 连续介质理论是两相流动的主体理论，许多人从事这方面的研究。虽然宏观 的连续介质理论是两相流动的主体理论，但对某些流动从微观方面进行分析却更 为必要。比如对低浓度两相管流，固相稀少颗粒的连续介质假说就不太适合；以 及对流化床、颗粒流和粗颗粒高浓度管道运输等方面的研究，单用连续介质理论 是无法精确知道颗粒之间是怎样相互碰撞作用的。两相管流流动的运动理论有助 于解决此类问题，由于问题的复杂性，仅有少数学者进行了这方面的研究。现阶 段，两相管流的运动理论已有了进一步的发展，它已开始用来解决实际问题了。 如前所述，宏观的连续介质理论是两相流动研究的主体理论：而微观的运动 理论可以提供的详尽细节，只是物理和数学上非常复杂。两种理论在两相流动理 论和应用上都占有一定的分量，两者可以相互补充，而且并不能完全彼此替代。 1 3 实验研究进展 对管道两相流动现象的研究，由于两相流动的复杂性，只是理论的分析就显 得势单力薄，并且理论的分析方法只能适用于一些有限的情况，任何理论模型的 f 确与否都要靠实验加以检验。如前所述，工业上对长距离管道输送系统的工程 设计中的关键水力参数( 如临界流速、阻力损失等) 还是主要是通过试验手段来 确定的，如德国沙士基打( s a l z g i t t a r ) 公司为俄罗斯列别金斯克选矿厂所作铁 精矿管道输送设计，就是依据2 0 0 3 0 0 m m 原型管道环管试验所得出的结果而设t 的，已投产l o 多年，运行良好。可见，实验研究在管道输送的发展中起着举足 第一章绪论 轻重的作用。 国外发达国家对两相流动的试验研究研究的比较早，从5 0 年代开始就投入 了大量的人力物力进行管道输送的研究工作，- - 十l l 批较为先进的实验室相继建 成。根据各自所研究课题的特点，规模大小不一，系统繁简各异。表1 - 4 列出了 国外些代表性的管道实验设施吐 表卜4国外一些代表性的管道实验系统 管道系统 单位管长主要设各 管道布置管径( m m ) ( m ) 闭式循环管路 帝国理工学院 2 52 6 砂浆泵、u 型压差计 水平、垂直 闭式循环管路 t o h o k u 大学 3 0 、4 3 、 泥浆泵、电磁流量计、l 水平、垂直、倾 斜( 0 3 0 ) 5 0 、5 6 型压差计、闪烁计数器 闭式循环管路 肯塔基大学水平、倾斜 5 l4 0 射流泵、电磁流量计、压 差计、y 射线密度计 ( o 3 3 ) 闭式循环管路 1 2 5 、1 5 0 、 离一c l 泵、电磁流量计、膜 巴德本大学2 5 片压差计、y 射线密度 垂直2 0 0 计、超声波测厚仪 闭式循环管路 2 5 、5 0 、 隔膜泵、离心泵、电磁流 卡尔斯鲁大学5 0量计、膜片压差计、y 射 水平8 0 、l o o 线密度计 闭式循环管路离心泵、电磁流量计、压 d e l f t 大学 1 5 06 4 水平差传感器、y 射线密度计 表卜5 国内一些代表性的管道实验系统 管道系统 单位 管径主要设备 管道布置管长( m ) ( 1 【f 【) 5 l 、 4 p s 砂泵、6 p $ 砂泵、可 闭式循环管路9 4 、控硅调速、电磁流量计、 清华大学泥沙研究所 7 0 9 0 水平 1 4 8 、 压差变送器、y 射线密度 2 0 5 计 闭式循环管路 9 8 、 8 6 e a h 渣浆泵、电磁流 武汉水利水电大学 1 4 5 、1 5 0量计、压差变送器、电导 水平 1 9 6 式v d 仪 闭式循环管路 1 5 、 北京科技大学 2 0 、 曲杆泵、电磁流量计、精 水平密压力表 2 5 、3 2 闭式循环管路2 n p 泥浆泵、电磁流量计、 水电科学研究院 8 02 5 水平 u 型压差计 9 为了发展浆体管道输送技术，我国从2 0 世纪7 0 年代中期以后，相继在清华 大学、浙江大学、中国矿业大学、北京科技大学、山东工业大学、大连理工大学、 长沙矿山研究院、煤炭科学研究院唐山分院、水电部电力建设研究院、北京有色 冶金设计研究总院、鞍山冶金设计研究院等一些高校和科研所建立了较为完整的 实验装置系统。长沙矿冶研究所的黄家桢、矿山研究院的尹慰农等人分别进行了 原矿充填管道的输送实验，水利水电科学研究院的华景生等人进行了管道输沙阻 力特性实验，武汉水利电力大学的张兴荣【3 2 l 、邹履泰【3 3 】等人还进行了气、固、 液三相流输送实验研究。岑可法、费祥俊、赵成修等 2 】发表了一系列实验方面的 论文，进行了卓有成效的探讨。此外，有些生产部门还直接在生产现场进行实验 研究，获得了不少有价值的实验研究现场资料。表卜5 为国内一些代表性的管道 实验系统。 本文要进行的研究 本文针对疏浚工程中的泥沙的水力输送。选用了中等颗粒石英沙，通过实验 手段研究在不同的浓度和速度下的阻力特性和临界流速，为以后的管道水力输送 提供依据，并定性分析颗粒在管道中的运动规律和对阻力损失产生的影响，剥已 有的阻力损失和临界流速计算模型进行整理对比和分析。 第一二章管道水力输送两相流动阻力损失及其计算模型 第二章管道水力输送两相流动阻力损失及其计算模型 2 1 固液两相流的基本特性 所输送的固体物料与水混合后形成浆体，它的物理性质与水和固体物料的物 理性质有关，对浆体的运动规律起着重要的作用。 2 1 1 容重 浆体的容重是指单位体积的浆体所具有的重量，以表示，单位为n m 3 或 者k n m 3 ，用公式表示为： ：鲁(2 1 ) 7 “ 矿 。 式中：y 。为浆体的容重；嚷为浆体的重量：为浆体的体积。 浆体是水和固体物料的混合物，浆体的容重与水和固体物料的容重有关，可 用下式表达： = 瓮v 笋 z ) “ + 矿 7 式中：y 、几分别为水和固体物料的容重；v 、k 分别为水和固体物料的体 积。 2 1 2 浓度 浆体的浓度通常有两种表示方法即体积浓度和重量浓度。所谓体积浓度 是指浆体中固体颗粒所占体积与浆体体积的比值，用e 表示。 c v = 毒 3 ) 浆体中固体物料的重量与浆体重量之比，称为重量浓度，用巴表示。 c w2 瓯g s2 筹 ( 2 _ 4 ) l k。 在管道输送工程中，当管道内浆体流速较高( 一般要求大于临界流速) 时， 此时浆体内的所有固体颗粒随着水流一起运动，两者之间的速度差别较小。当浆 体的流速逐步降低到一定程度时，管内的固体颗粒就会出现推移层甚至出现较大 的固体颗粒滞留或者在原地摇晃不前的情况，此时，固液两相出现了明显的速度 差，为了说明这种情况，引入了输送浓度和当地浓度的概念。输送浓度是指浆体 中随水流一起运动的固体颗粒所占的百分比，如果用密度计等仪器测得的管内浓 度只能是当地浓度，指的是管道内某一断面上固体颗粒所占的百分比，一般情况 下，输送浓度小于当地浓度。 2 1 3 颗粒粒径与粒度分布 粒径是指单个固体物料的大小，以以表示，单位为m 或n l n l 。通常情况下， 把粒径小于l 唧的物料称为粉料，大于1 m m 的物料称为粒料。粒径的测量方法很 多，工程上一般采用筛分的方法即用标准按一定间隔将物料颗粒筛分，分别求得 其粒度分布，然后求其平均粒径。此外，对于细小的物料，利用沉降速度的原理 来测定形状不规则的粒料的当量球径，再按斯托克斯定律求得： d = ( 2 - 5 ) 式中：国为颗粒的沉降速度；y 、扎分别为水和固体物料的容重，为动力 粘性系数，即粘度。 器 雠 川 躲 图2 - 1粒度分布图 粒径d ： 用单个粒径表示物料颗粒的性质既不现实也没必要，工程上常用平均粒径来 衡量。平均粒径是指大小颗粒的粒径平均值。平均值的计算方法有算术平均、几 何平均、调和平均等多种。工程上常用的平均粒径是指中值粒径氏，是粒度分 布中筛上重量百分比为5 0 时的粒径。 实际上，固体物料是由各种粒径的物料颗粒混合组成，为了鉴定其粒度分布 匦 鬟v 喇惭 第一章 管道水力输送两相流动阻力损失及其计算模型 情况，工程上通常采用标准筛筛分的方法，按一定的粒径范围，将它们分成若f 级别，最后以各个级别的粒体重量( 颗粒个数) 的相对值来表示粒度分布状态。 粒度分布的表示方法有两种：粒度分布曲线和粒度分布方程式：将粒度分布 用曲线图表示，如图2 - 1 所示，曲线a 、b 就是以筛上累积重量的百分率r 计，a 、 b 两点的粒径就分别是中值粒径。 2 1 4 粘度 牛顿流体的粘性是流体分子的一种特性，而固液混合物的粘性是其混合作用 的一种特性，液体中加入固体颗粒增加了液体本身的粘度，而且在很多情况下使 浆体具有了非牛顿流体的特性。浆体的粘度常用与牛顿流体相似的方法定义，看 作是与速度梯度d u d y 及切应力r 直接相关的参数，称作“当量粘度”，刊惯上 又简称为固液混合物的粘度。根据牛顿的液体内摩擦定律及牛顿流体粘度的定 义，粘度可以用方程表示： ，砒 2 f7 面(2-6) 式中：1 为粘滞系数，即粘度。它是切应力与切变速率的比值，其大小表示 液体粘滞性的强弱；f 为切应力；_ d _ u 即切变速率。 砂 2 1 5 固体颗粒的沉速 泥沙在液体中的沉速是标志泥沙运动特征的一个重要物理量，在管道浆体输 送设计中也会遇到一系列固体颗粒在液体中的沉降的计算问题，比如在计算管道 阻力损失中就要涉及到固体颗粒的沉速问题。 固体颗粒在液体中的沉降问题，国内外学者都做了大量的研究。圆球在静水 中的沉降是最简单的情况，假设一个孤立的圆球在无限静止的水体中作等速沉 降。粒径为d 的圆球在静水中因为受到水下重力w 的作用而下沉： w ：( 以一，) 孚 ( 2 7 ) 在下沉过程中，圆球受到水流的阻力f ： f = c d 等譬 ( 2 _ 8 ) 其中：甜为球体的下沉速度；c 1 d 为阻力系数是雷诺数的函数，如图2 - 2 所 h f 海人学【学坝k 论义 图2 - 2 圆球和圆盘的阻力系数与雷诺数的关系曲线 在球体下沉的初始阶段，球体下降的速度0 9 较小，水下重力大于阻力，球体 作加速运动，随着速度的增加，阻力逐步加大，阻力和水下重力逐渐趋近，直至 相等，球体此后作等速下沉。所以，一般所说的物体的沉速，一般都是i 黔到等 速运动以后的下沉速度。当球体受到的阻力f 与重力w 相等时，可以推得沉速 的计算公式如下： 止土盟鲥 v 3c d y 。 ( 2 9 ) 由于颗粒形状对于沉速有很大的影响，天然泥沙在沉降时与球体有很大的不 同。一方面，对于天然泥沙来说，下沉时如果方位不同，则下沉方向的投影面积 也不同，所承受的阻力自然就不一样。另一方面，如果水流在颗粒表面发生分离， 则分离点的位置与尾迹的大小也与泥沙形状有关。对于天然泥沙，如果能够测量 出它们的长、中、短轴的直径a 、b 、c ，可以通过实验建立起这些直径的比值与 沉速间的关系。日本吉i t ) l t l l 进行了大量试验，所得结果如图2 - 2 所示，其公式 如下： 珊：1 5 ( - a ) 一i 3 f 口6 c ) l 6 ( 2 一i o ) c 吉良八郎以瘦长度a c 代表颗粒形状，阻d = ( 6 a b c z ) 1 3 代表颗粒的有效直 径，这一直径与同体积球体的直径十分接近。在试验中除了采用天然沙以外，还 采用了具有棱角的碎屑；后者的阻力显然较大，一般约高出3 0 左右。这是因 1 4 第二章管道水力输送两相流动阻刀损失及其计算模裂 为对于非球体来说，影响沉速的不仅是形状，还包括圆度，颗粒表面的粗造度也 有一定程度的影响。 鲁比和武汉水利电力学院对泥沙沉速的数学表达形式进行了研究。得到如下 的沉速公式： = 叫鲁三d + j ( 4 鲁兰d ) 2 + 三3 k i 丘尹鲥 ( 2 1 1 ) 也v 、哎 y 。 对于天然泥沙，盘、疋取值如表2 一l 表2 - t 公式中系数的取值( 天然泥沙) 作者岛 k ， 鲁比 2 3 武汉水利电力 1 2 24 2 7 大学 科马尔( p d k o m a r ) 和赖默尔斯( c e r e i m e r s ) 整理大量实验资料直接给 出不同形状( 采用形状系数如为参数) 天然泥沙的等容直径d n 与沉速c o 的 关系，也反映出颗粒形状对沉速的作用在雷诺数较大时的影响更大。 2 1 6 固体颗粒的悬浮 当流体流速逐渐增大，流体由层流转为紊流时，流体质点作复杂的无规律的 运动。如果把与水的密度相同的粒子放入水中，便可看到这些小粒子将沿着流动 的方向描绘出非常复杂的轨迹，而且，不同瞬时通过空间同一点的粒子轨迹也是 在不断变化的，而表征流体流动特征的速度、压强等也在随时变化。所以说，这 种瞬息变化的紊流流动实质上是非定常流动。用热线测速仪钡0 出的管道中某点的 瞬时轴向速度v 。随时间t 的变化如图所示。显然瞬时速度 l 二= 峻+ ， 。哆+ g 式中v ，q 为轴向和径向瞬时速度与时均速度之差，称为脉动速度，它的 时均值等于零即专f 匕斫= 。，；r _ 。卉= 。，因此不能用时间平均值来反映脉动 速度，而应用脉动速度的均方差的平方根来反映。 q ；手瓜而咿亭廊枷嘲脚平均黻黻其脉动速 度均方差也越大。只要脉动速度均方差大于固体颗粒沉速，固体颗粒即可悬浮。 另外，使固体颗粒悬浮的因素还有：管壁较高的糙度引起的旋涡运动，在水 流接近租糙的壁面时会产生游移不定的旋涡，促使固体颗粒被卷起和旋转；水流 的速度梯度和颗粒形j 氓的不规则性，由于水流在垂直方向存在速度梯度及颗粒形 状的不规则性，因此固体颗粒在不同方向的受力不平衡，造成固体颗粒在水流中 旋转，水流对固体颗粒的绕流( 环流) 也会加强这种旋转；速度梯度与旋转运动 造成颗粒上下流速不同，上部流速大，下部流速小，因而上下压强也不同，上部 压强小，下部压强大，从而形成上举力而使固体颗粒上浮。在以上诸多因素中， 脉动分速是主导因素，主要特征是水平方向的平均流速越大，脉动分速也越大； 旋涡运动越大，产生的上举力也越大。这就是浆体管道输送之所以要求具有足够 流速的原因，以保持固体颗粒处于悬浮状态。反过来，固体颗粒的悬浮又会消弱 脉动分速，在同一平均流速条件下，水要带动固体颗粒一起进行平移和旋转运动， 由于固体颗粒的惯性作用，势必会消弱原来的脉动分速。当粒度较小，浓度较低 时，浆体的脉动分速与清水的脉动分速差异较小。当粒度较大、浓度较高时，浆 体的脉动分速显著低于清水的脉动分速。这种固体颗粒削弱脉动分速的作用是客 观存在的，不可忽视。 2 2 固液两相流的阻力损失 2 2 1 固体颗粒的不同运动状态 图2 - 3 给出了随流速增加泥沙的运动形式。开始时流速较小，泥沙静止不 动，流速增加至某一数值后，个别的颗粒会发生急遽的颤动，随流速继续增大， 泥沙颗粒开始向前滑动或滚动，形成接触质运动。当颗粒滚动到图2 3 ( b ) 中的 位置时一方面颗粒顶部附近的流速增加，压力相应降低：另方面颗粒底部表面 上的压力( 由流速水头转化的压力) 增加，总的结果将便上举力加大。这样的作 用在颗粒刚开始运动时就会产生，使得颗粒起始运动的瞬间增加了一个冲力，泥 沙颗粒会在其作用下跳起来，如图2 3 ( c ) 。泥沙颗粒上升离开床面以后与速度 较高的水流相遇，并被水流挟带着前进，同时也受到重力作用，达到一定高度以 后沙粒转而下降，跳起的沙粒落到床面会对后边的泥沙颗粒产生冲击作用。作用 的大小取决于颗粒的跳跃高度和水流流速。当速度继续增加，流动的紊动性进 步加强，水流中充满着大小不同的漩涡，这时泥沙颗粒在跃起的过程中，有可能 遇到向上的漩涡，并被带入主流区。在进入主流区以后沙粒即便从这一个漩涡中 脱离出来，又会遇到另一个漩涡，如果碰巧一个漩涡把它带到壁面附近，则它也 有可能重新落到壁面，同时其它沙粒有可能在水流的作用下开始被带到主流区 第二章管道水力输送两相流动阻力损失及其计算模型 ( c ) 静止床面 接触质运动 萋鏊震) 运劫 ) 悬移质运动 ) 篓甏覆) 运动j 接触质8 刈 悬侈质运动 嬖繇j 遥动、捧侈面 ，届侈质i 蚕动j 莲动 ) 静止床面 图2 - 3 泥沙在水中的运动形式 做悬浮状态运动。在同样的水流条件下，颗粒愈细，进入悬浮状态的机会也愈大。 随流速的增加，一部分颗粒已经以滑动、滚动、跃移的形式运动时，但其余颗粒 则由于其自身重力及颗粒间离散力的作用足以抵抗水流的拖曳力，继续在原来的 位置静止不动。当水流拖曳力进一步增强以后，表层的泥沙已不能保持静止，第 二层的泥沙也开始进入运动。随流速的不断加大，运动不断向深层发展，而底部 的泥沙并未运动，这两部分之间的泥沙，因为四周与其他的沙粒相接触，运动时 只能成层地移动或滚动( 层移质) ，速度由上而下渐次递减，如图2 3 ( e ) 。 通过以上的分析可知，泥沙颗粒能否被水流携带除了与输送速度有关外，颗 粒的大小也是重要的因素。泥沙颗粒越粗越不易被水流携带，粗沙大都以推移质 形式输送，推移质与水流之间存在相对运动。推移质泥沙的存在肯定会额外消耗 水流的能量，所增加的阻力损失最终通过推移质与管壁之间的摩擦反映出来。 2 2 2 阻力损失的构成 耋 ( j ) 摩擦阻力损失 摩擦阻力损失是指浆体流动时与管道边壁摩擦而消耗的能量。在浆体管道输 送中，摩擦阻力损失占主要地位，因此对这部分损失研究得比较多l a z a r u s 和 n el s o n 认为，影响摩擦阻力损失的因素有1 4 个之多，它们是管道直径、粗糙 度及其坡度、载体密度和粘度、颗粒密度、表征尺寸、尺寸分布、形状、形状分 布及颗粒恢复系数、平均固体物料流量、平均载体流量和重力加速度。显然，这 么多的影响因素要在在摩擦阻力损失分析中要综合考虑是相当困难的。在试验研 究中，可以针对不同流型，考虑其中的若干主要因素，从而找出摩擦阻力损失的 变化规律。在这方面，国内外学者作了许多工作，得出了各自的计算公式。 ( 2 ) 颗粒沉降阻力损失 固体颗粒在载体中均具有沉降陛。把用于克服颗粒沉降，维持颗粒悬浮所消 耗的能量叫做颗粒沉降阻力损失。在管送过程中，颗粒沉降阻力损失与固体物料 ( 颗粒) 的级配、形状及其物理力学特性和输送速度有密切的关系。颗粒悬浮的 能耗主要来自输送速度。一般既来，颗粒浓度愈高，要求输送速度愈大，即维持 颗粒悬浮所需的能量愈高。但当浆体浓度达到某一极限值( 7 5 8 0 ) 时，浆体 即呈结构流输送，为非沉淀性均质体，具一定的塑性，其流变特性及阻力损失均 不同于般浆体。这时也就不存在颗粒的悬浮问题，由此而产生的能量耗散可以 认为等于零。 ( 3 ) 颗粒碰撞阻力损失 浆体中颗粒间的碰撞问题涉及到颗粒流的研究，由此而耗散的能量在以往的 浆体管道输送阻力损失计算中一般都考虑不多。这是因为一方面以往的阻力损失 分析计算主要集中在流体的宏观运动的研究，而对流体内都颗粒碰撞之类的微观 现象研究较少，另一方面，颗粒碰撞对阻力损失的影响与颗粒尺寸有着相当密切 的关系，当颗粒尺寸多大时必须考虑颗粒碰撞对能耗的影响? 什么情况下可以忽 略? 这个问题十分复杂，即使是颗粒流研究也没有完全澄清上述问题。有些研究 者认为，工业上粗颗粒物料的管道输送中，由于颗粒浓度很高，粒间碰憧作用占 主导地位。根据颗粒流关于弥散应力与碰撞应力对比消长的判别准则，当颗粒浓 度c o 0 4 则，可不考虑颗粒碰撞影响，否则颗粒碰撞不能忽略。影响颗粒碰撞 的能耗变