（岩土工程专业论文）沉降性浆体速度与浓度分布耦合模型及迁移速度研究.pdf

摘要 摘要 沉降性浆体在水平管道内流动日i j 清水搬运固体颗粒的机制与机理，以及管道内各种 速度分布与管道水力坡度的计算方法，一直是从事浆体管道输送技术的专家学者们卜分 关注和要攻克的难题之一。一个世纪以来，人们对此进行了大量的试验研究和理论研究， 并耳义得了许多研究成果，已经提出了一些计算水力坡度的公式、迁移速度的公式和预计 沉降性浆体各种速度分布、浓度分布的计算公式。在这些成果之中，有根据试验获得的 试验研究成果，有通过理论分析所获得的纯理论研究成果，也有既有试验又有理论的综 合成果。然而由于沉降性浆体流动机理的复杂性和流动状态的多样性，到目前为止，还 没有哪一个研究成果能够比较清楚的解释沉降性浆体流动时，清水搬运固体颗粒这关 键性问题。同时，预计结果与试验测试结果之间有较大的偏差。因此，进行该理沦的研 究，有助于发展浆体物料的长距离管道输送，且对固、液两相流理论的研究和发展产生 臣火的推动作用。 本文主要进行了根据普朗特半经验理论公式在研究管流及明渠中的紊流速度分布 的成功应用，将此方法用于研究弓形断面的紊流速度分布，进而得到了管道中具有静止 堆积层时的紊流速度分布，并设计了实验来加以验证弓形断面的素流速度分布公式；在 原有的非均质流速度分布模型的基础上，考虑了干涉力对固体颗粒速度的影响；同时将 嘲体颗粒所处的运动状态作为判断使用哪种计算公式的标准，这样就将原来的三个计算 模型统一为一个计算模型，不但提高了计算的准确程度，而且使模型简化，便于计算和 廊玑将广泛应用的由扩散理论得到的浓度分布公式结合由清水和固体颗粒之间的动量 传递分析得到的速度分布公式，构成速度分布和浓度分布耦合模型，用于求解计算在 定条件下的沉降性浆体速度分布和浓度分布，并通过算例来验证速度与浓度分布耦台模 ，磷；根据具有静止堆积层的管道素流速度分布，并结合固体颗粒的起动条件，得到了计 算起动速度的计算模型，并用实例计算分析了影响因素对起动速度的影响趋势；根据沉 降性浆体速度分布模型，并判断底层固体颗粒的运动条件，从而分析得到了计算堆积速 度的计算模型，并用算例进行了模型验证和分析了影响因素对堆积速度的影响趋势；根 据沉降性浆体速度分布模型以及推移质层厚度计算公式，判断当推移质层厚度为零时， 所得的浆体平均速度就是浮游界限速度，并用算例进行了模型验证和分析了影响因素对 浮游界限速度的影响趋势；根据沉降性浆体速度分布与浓度分布耦合模型，并结合瓦斯 普判断伪均质流的准则，得到了计算均质流界限速度的计算模型，并用算例进行了模型 验诅：和分析了影响因素对均质流界限速度的影响趋势；由沉降性浆体速度分布模型，可 以计算得到动量交换前清水的平均速度，根据清水的平均速度能够计算清水流经管道的 摩阻损失，它也就是输送浆体的管道摩阻损失，这就得到了水力坡度的计算公式，依据 此公式计算浆体平均流速从低到高的所有水力坡度，从而得到水力坡度最小时的浆体平 均速度，即临界速度。同时，也用算例进行了模型验证和分析了影响因素对临界速度的 影u 向趋势。 关键词： 沉降性浆体；速度分布；浓度分布；迁移速度；水力坡度； 动量传递；浆体管道输送；固、液两相流 大连理工大学博二b 学位论文 a b s t r 馥c t t h ep d n c i p l e sa n dm e c h a n i s m s f o rw 目t e rc a r r y i n gs o l i dp a r t i c l e sw h i l es l u r r y f l o w s j i r tah o d z o n t a ip i p e l i n e ，a n d t h e c o m p u t i n g m e t h o d so fv a r i o u sv e l o c i t y d i s t d b u t i o na n dh y d r a u l i cg r a d i e n ti nt h ep i p e l i n ea r ea l w a y sh a r dp r o b l e m s ，w h i c ht s p a i da t t e n t i o na n d s o l v e db ye x p e r t sa n ds c h o l a r se n g a g e di nt h es l u t r yt r a n s p o r t a t i o n l e c h n o l o g y s i n c o i a s t c e n t u r y ，p e o p l e h a v ed o n e p i e n t j f u le x p e r i e n c e s a n d t h e o r e t i c a ir e s e a r c h e s a c h i e v e dai o to fr e s e a r c hr e s u i t s p e o p l eh a v ea l r e a d yp u t f o r w a r ds o m e h y d r a u l i cg l ? a d l e n t f o r m u l a s ，c r i t i c a lv e l o c i t yf o r m u l a s ，e x p e c t i n g v e l o c i t i e sd i s t r i b u t i o nf o r m u l a sa n dv o l u m e t r i cp e r c e n td i s t d b u t i o nf o r m u l a se t c 。 n t h o s e0 c h e v e m 0 嗽s ，s o m w c , cc b t a i n o df r o mg x p o d m e n t a lr e s e a r c h e s ，s o m ew e r e o b t a i n e df r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c h s o m ew e r eo b t a i n e df r o mb o t h h o w e v e r ，f o rt h e c o m p l e x i t ya n dv a n a t y 饼t h es - u 研f l o w ，t 诂 n o w n o n e 。彳t h ea c h i e v e m e n t sc o u l d e x p l a i nc l e a r l yt h ec d t i c a ! p r o b l e mt h a tw a t e rc a r r i e ss o l i dp a r t i c l e sw h e ns l u r r y i 3 f l o w i n g m e a n t i m e t h e r ea r eg r e a t d e v i a t i o n sb e t w e e nt h et e s tr e s u l ta n di h e e s t i m a t e dr e s u l t t h e r e f o r e t h es t u d yw o u l dh e l pt od e v e l o pl o n gd i s t a n c es l u t r y p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n a n da c c e l e r a t et h er e s e s m h e sa n dd e v e l o p m e n t so ft h e s o l i d l i q u i dt w op h a s e s f l o w st h e o r y t h i sp a p e rg o e so na c c o r d i n gt ot h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fp r a n t i e sh a l f e x p e r i e n t i a it h e o r yf o r m u l ao ft u r b u l e n tv e l o d t yd i s t r i b u t i o ni nt h ep i p e l i n ea n dd i t c h u s i n gt h i sm e t h o dt os t u d yt h et u r b u 培n tv l 咖洒t y d i s t n b u t i o no ft h eb o w - s h a p e d s e c t i o nl nt h ep i p e l i n e t h e r e b yt h et u r b u l e n tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw i t hf i x e db e di nt h e p i p e l i n e h a sb e e no b l a i r l e d t a u t h o rd e s i g n e da ne x p e r i m e n tt op r o v et h e t u r b u l e n tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fb o w - s h a p e ds e c t i o n o nt h eb a s i so ft h es l u r r y v e l o c i t yd i s t r i b u t i o nr t l a l d e i t h ea u t h o rc o n s i d e r e dt h ei n t e r f e r i n gf o r c et h a tw o u l d l n f i u a n c es o l i dp a r t i c l ev e l o c i t y ；8 tt h es a m et i m e s a wt h em o t i o ns t a t eo ft h es o l i d p a r t i c l ea sas t a n d a r dt oc h o o s ew h i c hf o 黼u 晤t ob eu s e d i nt h i s t h eo r i g i r 谊l t h r e em o d e l st ow o u l db ei 1 3o n ec a l c u l a t i n gm o d e l n o to n l yi m p r o v e st h ec a l c u l a t e d a c c u r a t ed e g r e eb u ta l s om a k et h em o d e ls i m p l f l i e d ，e a s yt ob ec a t c u l e t e da n d a p p l i e d ；v o l u m e t r i cp e r c e n td i s t r i b u t i o nf o r m u l a 行o md i f f u s i n gt h e o r yc o m b i n e s v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 5 0 r m u t at o s e t u pec o u p l i n g m o d e lo fv o l u m e t r i c p e r c e n t d i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yd i s l n b u t i o n t h em o d e lc a nb eu s e dt oc a l c u l a t e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n sa n dv o l u m e t r i cp e r c e n td i s t r i b u t i o nu n d e rs o r n ec o n d i t i o n si nt h ep i p e l i n e a n ds o m e e x a m p l e sa l eu s e dt op r o v et h ec o u p l i n gm o d e li sc o r r e c t a c c o r d i n gt o t u r b u l e n lv e l o c i t yd i s t d b u t i o nl nt h ep i p e l i n ew i t hf i x e db e d c o m b i n i n gs o l i d p a r t i c l e s t e r t i n gt e r m s t h es t a r t i n gv e l o d t ym o d e i i so b t a k n e de n ds o m ee x a m p l e sa r eu s e dt o a n a l y z et h ei n f l u e n c et 糟喇o fe f f e c tf a c t o r s a c c o r d i n gt os l u r r yv e i o c i t yd i s t r i b u t i o n m o d e fa n d s t a r t i n gt e r m so f s o l i dp a r t i c l ea tt h eb o t t o mo ft h ep i p e l i n e d e p o s i tv e l o c i t y m o d e ii ss e tu pa n ds o m ee x a m p l e sa r eu s e dt op r o v et h em o d e il sc o r r e c ta n d a n a l y z et h ei n f l u e n c et f ：e n do fe f f e c t 向c t o r s a c c o r d f n 。t os l u r r yv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n m o d e la n dt h i c k n e s sf o r m u l ao fp r o c e s sl a y e r 。s u s p e n d i n gc r i t i c a l v e l o c i t ym o d e li s 0 d 协l n e dw h e n p r o c e s sl a y s rt h i c k n e s s sz e r oe n d 窘o r n ee x a m p l e sa r eu s e dt op r o v e h a b s l y a c t t h em o d e l 8c o r r e c ta n da n a l y z et h ei n f l u e n c et r e n do ff a c t o r st os u s p e n d i n gc r i t i c a i v e l o c i t y a c c o r d i n gt os l u r r yc o u p l i n gm o d e lo fv e l o c i t y d i s t d b u t i o na n dv e l u m e t r i c p e r c e n td i s t r i b u t i o n ，c o m b i n i n gw a s p s c r 醅d o no fj u d g i n g h o m o g e n e o u ss l u r r y ， h o m o g e n e o u sc d t i c a lv e l o c i t ym o d e li so b t a i n e d s o m ee x a m p l e sa r eu s e d t op r o v e h o m o g e n e o u sc n t i c a lv e l o c i t ym o d e li sc o r r e c ta n da n a l y z et h ei n f l u e n c et r e n do f f a c t o r st o h o m o g e n e o u sc r i t i c a iv e l o c i t y a c c o r d i n g t o s l u t r yv e l o c i t yd i s t n b u t i o n m o d e l w a t e rv e l o c i t yb e f o r em o m e n t u mt r a n s f e r nb eo b t a i n e da n dw a t e r - p o w e r g r a d i e n tc a nb eg o t t e n ，t h i si se q u a t os l u r r yw a t e r - p o w e rg r a d i e n t a c c o r d i n gt h e w a t e rp o w e r g r a d i e n tf j 。r m u l a ，i tc a ng e t t h em i n l m u r r 狮冶r p o - , , , c rg m d i e n t i na ”a r e a ， t h ec o r r e s p o n d i n gv a l e c i t , 1i sc d t i c a i v e l o c i t y ，t h ec r i t i c a lv e f o c i t ym 删e i ss e cu p s o m ee x a m p l e sa r eu s e dt o p r o v ei t c o r r e c t a n da n a l y z et h ei n f l u e n c et r e n do f f a c t o r st oc r i t i c a fv e l o c i t y k e y w o r d s ：s l u r r y ；v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ；v o l u m e t r i cp e r c e n td i s t r i b u t i o n ；c m i c a lv e l o c i t y ； w a t e r - p o w e rg r a d i e n t ；m o m e n t u mt r a n s f e r ；, s l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ； s o l i d - l i q u i dt w op h a s e f l o w i f f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水平管道输送概述 水平管道内沉降性浆体的流动状态、速度分布规律、浓度分布规律和迁移速度的计 算方法及这些因素与水力坡度之间关系等的研究受到了世界各国从事两相流研究专家 学者们的广泛关注。沉降性浆体中，固体颗粒与液体之间的相互作用机制与机理，固体 颗粒与液体之间的滑移运动产生的机制与机理以及固体颗粒相互之间的干涉作用机制 与机理的解明，无疑是弄清沉降眭浆体在管道内流动时，固体颗粒浓度分布规律，速度 分布规律和迁移速度的计算方法及其它们的相互关系和它们与水力坡度之间关系的关 键所在，是弄清清水搬运固体颗粒机理的重要组成部分。管内沉降性浆体平均流速及平 均浓度的大小，很大程度上决定着固体颗粒浓度分布的断面形状和沉降性浆体的流动状 态( 当然这也与固体颗粒的粒径、密度及级配有关) ，同时也决定着管道摩阻损失的大与 小。管内平均浓度一定时，沉降性浆体流动的平均流速、管道的内径以及固体颗粒的粒 径、密度的大与d , 贝l j 成了决定管内沉降性浆体流动状态及管道摩阻损失大小的决定性因 素。到目前为止，虽然已有许多这方面的研究成果问世，且其中不乏有根据试验获得的 试验研究成果和通过理论分析所获得的纯理论研究成果以及试验和理论研究并存的综 合研究成果，已经提出了一些计算水力坡度的公式及预计沉降性浆体速度断面、浓度分 布断面的理论公式和迁移速度的计算公式等，但对浆体流动时清水是如何搬运固体颗粒 这一关键问题的解释上看，观点不一，有的甚至是做了一些很不合理的假设，理论预计 结果与试验测试结果之间也存在一些偏差，大部分研究成果还不能直接用于浆体物料的 水力输送设计。这也可能就是从事两相流基础理论研究专家学者们对研究这些问题十 分关注的主要原因之一。同时随着水平管道输送技术的发展，对于沉降性浆体在低流速 的运动状态和规律及其机理研究越来越成为专家学者们所关心的话题。 i 2 研究沉降性浆体管道输送的意义 物料管道输送属于两相流的流体力学问题，在近几十年发展很快。特别是在流变学 的出现和发展后，更加深了人们的认识。固体物料的管道输送现在已作为一种新的运输 方式以被广泛应用于各个部门。随着实践中应用范围不断扩大以及理论上的发展，对这 方面的研究的研究成果也越来越多。目前已取得了一定的研究成果，但是，这些成果都 是在+ 定条件下才符合客观实际，否则，误差很大。因此，还需要我们加大对这方面的 研究工作，以取得进一步的进展。 世界著名的输气管道当属横贯加拿大全境的管道，管道总长8 5 0 0 k m ，管径5 0 0 1 0 0 0 m m ，中间设4 6 座压气站。年输气量达3 0 0 亿m ；。整个系统的管道和压气站，由多 伦多市中心控制室用计算机进行遥控，并在屏幕显示有关数据。日常维护使用双螺旋桨 e 机在低空5 0 m 巡逻飞行，并定期派出人员在地面检查。用以输送煤浆的管道，目的世 大连理工大学博士学位论文 界 二输煤量最大的是美国黑迈萨煤浆管道，起点是美国亚利桑那州的卡因塔露天煤矿， 终点是内华达州的莫哈夫电厂。全长4 3 9 k m ，管径为4 5 7 m m 和3 0 5 m 两种。这条管道1 9 7 0 年建成，年输煤量为4 8 0 万吨，另外，巴西投运营的萨马柯管道是世界上规模最大的铁 精矿运输管道，其长度为3 9 7 k m 。阿根廷a l u m b r e r a 铜矿的矿浆输送管道长3 1 3 k m ，是 世界t 最长的铜精矿输送管道。管道系统输送能力达8 7 5 万t a 。南美洲是一令多山地 形，道路不适合于大汽车，对于火车而言，坡度很大。在这种情况下，管道输送就成为 最有效的运输方式。在一些地区，地形十分恶劣，如安第斯山区，( 除了管道输送外) 别无选择。故其金属矿物管道输送方面在全世界处于领先地位，而美国一直支持煤的浆 体管道输送。在世界上其它地区，管道输送也被广泛采用。 在管道输送中，有用水等液体作为载体来输送固体粒状物料的浆体输送：有用压缩 空气作为载体来输送团体粒状物料的风力输送，或者在液体载体内加入压路空气来输送 固体粒状物料的空气升液输送等。这些输送方法，皆系固体粒状物和漉体直接接触，利 用流体的推力输送。管道输送还有将固体粒状物料装入运输密封容器内，把它置于管道 中通过水力或风力推动输送的密闭容器输送。可见物料管道输送包括三种主要形式：即， 浆体管道输送、空气管道输送和囊状物管道输送。每种主要运输形式又包括一些子类型。 如浆体管道输送可分为细颗粒浆体管道和粗颗粒浆体管道。空气管道输送又可分为释阶 段或者浓阶段运输；囊状物管道输送又可分为空气囊管道、水囊管道和柱状煤囊管道。 目前就全世界范围来看，用的最多，使用最广泛的还是浆体管道输送。 浆体管道输送方式具有连续运送、无回程、投资省、运营费低、损耗少和对环境地 形的适应性强等优点，作为粒状物料的长距离运输方式之一，己成为可与铁路、公路、 航运等传统运输方式相竞争的运输手段。虽然管道需要高的初始建设投资，但它们是经 济的，因为它们可以将货物运送过卡车或火车不能穿过的地形。一旦浆体管线使用合适 的话，其将有很长的寿命，在投资，运行和劳力方面的费用将很低。表卜l 列出了部分 国家已投产的长距离浆体管道的实例。 表1 - 1 世界各国部分大型、长距离管道输送情况 2 第一章绪论 短距离的浆体管道运输，在我国许多工业部门己运用十分普遍，如矿粉、灰渣、泥 沙及化工原料的输送和提升，历经数十年的实践，己积累了成熟的运行经验，固液两相 流的工艺技术也得到了长足的发展。由短距离输送目前，我国已建成一条大型、长距离 铁精矿输送管道工程，即尖山铁精矿管道输送工程和一条磷精矿浆体管道输送工程，即 翁福磷精矿管道输送工程。继西气东输、西电东送工程之后，一项旨在实现我国整合的 宏伟工程，“盂( 县) 一潍( 坊) 一青( 岛) 输煤管道”项目的蓝图已经绘就，据设计单 位中煤集团武汉设计院的技术人员介绍，盂一潍一青输煤管道项目是一个集煤炭加工、 洁净运输、综合利用为一体的大型系统工程。它是通过把洗精煤破碎、研磨，与水混合 制成浆体，经由管道输送到目的地，煤浆脱水后供用户使用。管线全程7 1 3 k m ，每年可 输送洗精煤7 0 0 万t 。目前，煤炭的运输主要靠铁路，这不仅占用了铁路大量的运力， 造成铁路运输的紧张。现在投入生产的大多数是较短距离的低浓度矿浆输送系统。而管 道输送的特点决定了将来在我国管道输送更有生命力。中国的煤炭运输量和运输距离将 会不断增长，在加大铁路、水运能力的同时，人们呼唤着寻求更多的方式来解决煤炭运 输问题，以满足国民经济发展的需要。输煤管道是人们期待的一种良好的方式。 管道输煤是当今世界先进的运输方式之一，可以实现长距离、大运量、低成本地运 输煤炭。与铁路运煤相比，管道输煤有如下的优点：管道铺设在地下，占用土地少且运 费低，比铁路约低4 0 。按完成单位运量计算，管道的建设投资比铁路低近四分之一左 右，建设工期比铁路缩短将近一半。受自然条件影响小。管道铺设的允许坡度可达1 6 ， t j _ 以克服较大的高程差，而铁路最大只为3 ，因此管道线路比铁路一般可缩短2 0 3 0 。 管道输煤运量大，连续性好，能满足电厂连续生产的需求。一条直径9 6 0 m m 的输煤管道， 年运量可以达到2 5 0 0 万吨，相当于一条双轨铁路，一条直径7 0 0 m m 管道相当一条单轨 铁路。输煤用水相对于坑口电厂比较节省。年输煤1 5 0 0 万t 的管道每昼夜用水5 万t ， 而3 0 0 万千瓦坑口电厂耗水量为3 4 t s ”1 1 。管道密封性好，煤炭运输既无损失，又无 污染。用铁路输送煤炭，每吨公里运价为l 角，而管道输煤每吨公里成本为4 8 分，比 铁路要低5 0 以上”。1 。管道输煤是5 0 年代首次提出的，经过数十年的发展，其在技术 上= 已经比较成熟，并且还在不断的发展和完善。美国和俄罗斯等国己建成数条长距离的 管道输煤线路，运行良好，并且取得了较好的经济和社会效益。例如美国的位于亚历桑 那州的黑迈萨煤浆管道、前苏联位于新西伯利亚的别洛沃长距离高浓度煤浆管道，均达 到了设计要求，取得了很好的效益。在我国虽然也对这方面进行了大量的研究，但目前 还没有付诸实践。目前，国内利用管道输送煤浆和各种矿浆的技术已完全成熟。预计到 2 0 1 0 年前，中国将建成总长度大约为5 0 0 0 6 0 0 0 k m 的煤浆管道，许多矿浆管道也正在 或将要修建。因此，我们对管道输煤的情景充满信心。 在煤矿，采用水力采煤时，由水枪破碎后的煤炭需要用管道输送到地面。 大连理一 大学博十学位论文 当然，管道输煤也有其不利的面。管道输煤通用性差，只能单方向运输煤炭，运 输的品种单。管道输煤要以水为载体，在水源刁i 足的产煤地区，将受很大的限制。管 道输煤应自高处向低处运送，不能输送高硫煤，不能在高寒地区铺设。尽管如此，管道 输煤还不失为一种有效益的运输方式。 目前，我国能源运输主要依托铁路，在铁路物运输总量中，仅煤炭就占4 0 以上。 铁路运输现在已是超负荷运行，而随着我国经济高速的发展，对能源的需求正日益增长。 在这种形势下，因地制宜地选择经济合理的能源运输方式，建立各种运输方式综合发展 的能源运输系统势在必行。 煤炭输送方式有许多种，主要有铁路、水运、公路、管道和输电线路等。每种运输 煤炭的方式都有它自己的技术经济特点和合理使用范围，全面、系统地分析各种运输方 式的技术特点和影响它们选择的各种因素，是我们正确选择适合我国能源资源分布特点 和符合现阶段我国国情的煤炭运输方式的前提象件。 浆体管道输送在金属矿山的充填中广泛使用，其属于短距离输送。常见的充填料有： 尾砂、河砂、山砂、破碎砂及水淬炉渣等。在我国大都采用尾砂充填。 城市垃圾等废弃物的浆体管道输送已经进行了许多实验，宾西法尼亚的赞地等人在 2 6 i n 的管道中进行了实验；日本东北大学的川岛进行了小口径的实验，不过现在还处 于实验阶段；从上世纪5 0 年代以来，木屑管道输送受到了重视，首先在加拿大使用， 发展目标是达到运输的合理化和森林作业的机械化。随着城市人口的同益增多，城市下 水淤泥将有增加的趋势，已有专家提出将水处理和污泥处理分开进行是最好的方式。这 就要涉及到管道输送污泥的技术问题。目前，日本正进行城市污泥的管道输送研究”。 湖泊、河道，海洋中的泥沙疏浚也涉及到浆体管道输送。为了提高河流和湖泊的运 输能力，对其进行经常性疏浚就很必要了。在日本，采用机器人采挖，然后用管道将湖 泊底部或河流底部的泥沙送到上面的挖泥船上面，这种技术已经广泛地应用了。国外已 有挖深6 0 m 的挖泥船，并可将泥沙输送到1 3 k m 以外。目前，国内还不能生产大规模的 清淤设备，需要进口。 总的说来，长距离浆体管遭在国内的应用还是远远不够的。尤其长距离浆体管道输 送1 ：程在国内还是十分少见。在我国，浆体管道输送主要应用于冶金矿山的尾矿，精矿 及电厂的煤灰等的输送上。而且，大都浓度不高，重量浓度在2 5 以下，最低的只有百 分之几，输送距离都很短。长距离滞后于短距离浆体管道输送的发展，是符合认识规律 和技术发展规律的，反映了二者之间的重大差异。长距离浆体管道工程的安全问题和经 济问题显得更为突出，故要求工艺系统更完备、安全措旖更可靠、自控手段更有效、管 理操作更严密。 如果况现在正在进行着的物流技术革命主要体现在信息化、自动化方面的话，那么 下一轮的物流技术革命就是要向传统的船舶、火车、汽车和飞机这四种运输方式提出挑 战。至于这种运输革命是什么，运输领域的专家们已经为第五种运输方式一管道运输， 作出了定位。随着容器式管道物流的发展，人们将看到，管道不仅可以输送气体、微粒、 浆俅、液体，实际上，管道可以运送任意形状的物品。特别是，它可以克服现有的几种 第一章绪论 运输方式( 轮船、火车、汽车、飞机) 的种种局限。管道运输节省能源，不污染环境，安 全性、方便性更高，是解决网上购物配送的最有效的解决途径，现在已经有人设想，如 果建成真空管道，则可以达到比飞机更快的运输速度。 浆体管道输送的方式比较单一，只能输送一种或者几种与水混合不发生物理变化和 化学变化的物料。为了突破这种限制，并发挥管道输送的优点，出现了“密封容器”管道 输送，有时也称为“囊状体”或“密封舱”管道输送。输送的媒体( 或载体) 大多为液体t 又可以是气体，被输送的物料可以是固体、半固体甚至是气体。由于被输送的物料装在 密封容器中与输送媒体不接触，所以不用担心吸湿和变质，不存在腐蚀或磨损管道问题。 目前，西欧和北美地区的天然气管道压力普遍都在i o m p a 以上，像阿意输气管道最 高出站压力达2 1 m p a ( 穿越点处) ，挪威s t a t e p i p e 管道输气压力为1 3 5 m p a ，新近建 成的a 1 1 i a n c e 管道最大许用运行压力为1 2 m p a 。 月前，我国陆上距离最长、管径最大、承受压力最大、自动化管理程度最高的输气 管线一陕甘宁气田输气管线，简称陕京线。于1 9 9 6 年3 月开工，1 9 9 7 年9 月竣工，长 度为9 1 2 8 k m 、承受的最大压力是6 4m p a 、管径6 5 0 m m 。我国最大口径成品油输送管道 抚顺至营口鲅鱼圈商用成品油管道1 9 9 5 年建成，管道直径8 5 0 m m 。 固体物料水力输送，包括长距离管道输送在内，虽然在世界范围内已广泛应用于生 产，作为这项技术的理论基础也有相应的发展，7 0 年代以来，不仅国际性的水力输送学 术会议相当频繁，也有一些专门著作问世。但总的说来，这种固体运输方式的发展速度 还比较缓慢，除了e 述提到的一些问题外，另一个原因是水力搬运固体的机理，特别是 高浓度固体输送中，固、液混合物运动理论还有待深化，一些与输送参数设计有关的理 论问题还没有得到很好的解决，这表现为一些输送参数的研究( 其中最重要的如管道的 摩阻损失，合理的输送流速及浓度等) ，较长时间以来进展不大，浆体流动时浆体中固 体颗粒的运动状态与管内速度分布、管道摩阻损失之间关系的研究，也没有取得令人满 意的成果，浆体流动时固体颗粒与液体之间的滑移运动产生的机制与机理以及固体颗粒 相互之间的干涉作用机制与机理的研究尚处于不全面的阶段，这使得输送参数的确定一 般要依靠室内环管试验来间接确定。尽管国外的管道输送实践经验较多，上述输送参数 的确定已逐渐摆脱费时费事的环管试验，但由于仍有较大的经验局限性，因而其主要方 法仍处于商业保密阶段，设计只能偏于保守，使得固体水力输送的经济效益未能充分发 挥。为使我国的浆体物料长距离管道运送发展过程中所遭遇的管道淤积和管道堵塞等方 丽的难题提供足够的理论保证，促进管道水力输送技术的高效安全进行，及其处理下水 道清淤、疏泼水道等提供有利的条件，充分发挥固体水力输送的经济效益和社会效益， 发展我国固体物料管道输送技术，使这一现代化的运输手段为我国的社会主义现代化建 设事业所用，进行浆体流动时浆体中固体颗粒的运动状态与管内速度分布、管道摩阻损 失之间关系的研究及浆体流动时固体颗粒与液体之间的滑移运动产生的机制与机理以 及剧体颗粒相互之间的干涉作用机制与机理的研究，管内堆积厚度与水力坡度的研究及 迁移速度的确定是十分必要的，这方面的研究成果能为浆体管道输送系统设计提供依 据，同时也将完善液、固两相的理论体系，为我国能在固体物料管道输送基础理论研究 大连理工大学博士学位论文 方面走在世界前列打下坚实的基础。 1 3 现有的研究成果综述 一、堆积层厚度方面的研究成果 堆积层厚度是指固定床厚度。到目前为止，国内外对水平管道内堆积层厚度的研究 主要是根据连续方程结合在临界条件下的平衡方程联合求解的“。”。即 固相和液相的连续方程： i u c 4 = u ，c ，a，、 i u ；a = a u + a 6 u m 式中u 。为主流区周一液两相平均速度；g 为主流区固相平均体积浓度；u 。为固一液两 相表观速度；c ，为固相表观体积浓度；a 为管道内壁横断面面积；【k 为堆积层内的液 相平均速度。 平衡方程： 耽= f r o ( 卜2 ) 式中厅。为在临界条件下受到的阻力；，1 r d 为堆积层受到水流的推力。 将公式( 卜1 ) 与公式( 卜2 ) 中的参数完全代入后联合求解，即可得到堆积层厚度 与平均速度之间的关系。 二二、管道水力坡度方面的研究成果呻3 有关水力坡度方面的研究成果有以下四种： 第一种是以试验为主要研究手段的研究成果。以d u r a n d “1 5 1 ，i z a n d r l 及 g ，o o v a t o s 等“7 1 为代表的一些专家学者根据大量的试验及试验结果的分析，以管道摩阻 损失系数和福氏数的形式，推得了沉降性浆体管道水力坡度的计算公式。这些专家学者 们用试验的手段客观地揭示了沉降性浆体平均流速，管内平均浓度，管径，管道附加水 力坡度损失，一，。等参数之间的关系，提出了具有代表性的试验公式。d u r a n d 等利用以 密度为p 。= 2 6 5 9 c m 3 沙子进行流动试验所获得的结果及用密度分别为1 6 和3 9 5 9 c m 3 塑料沙及金刚沙等追加试验所获得的结果，经研究分析，得到了下面公式 等“d 【勰) s ， 式中i ，为非均质流水力坡度；，。为清水水流水力坡度：c 为体积浓度；k 。为系数；吃 为沉降性浆体的平均流速；c 。为阻力系数：g 为重力加速度；d 为管道内径；占为固 体颗粒密度a 与清水密度p 的比值。( 卜3 ) 式称杜兰德公式。该式虽然是一个经验公式， 但它所概括的资料范围相当广，包括的流动条件、固体颗粒的种类及特性参数为 管径d = 4 0 5 8 0 m m 固体颗粒粒径d ：0 2 2 5 m m 固体颗粒密度p 。：1 5 3 9 5 9 c m 5 管口排出浓度c ：o 0 2 o 2 2 第一章绪论 浆体平均流速 1 ) 。 ( 4 ) 伪塑性体 一鲥 陋s ， 式中：k 一稠度系数：n 一流动指数( n 1 ) 。 ( 5 ) 屈服伪塑性体 斟 p e ， 式中：如一初始应力( p a ) ；k 一稠度系数；n 一流动指数( n 1 ) 。 上述几种流型如图2 - 1 所示。 p 靛 目 尽 宾汉塑性体，膨胀体 ， + ， ， 屈服伪塑性体 牛顿体 一一一一一伪塑性僻： l 上 切变率 图2 1 与时间无关的非牛顿体切应力一切应变曲线图 f i g 2 一lf i g u r eo f s t r e s sa n dp r e s s u r e c u r v e n o n h y d r o - n e w ：o nw i t h o u t t i m e 2 2 水平管道内液、固两相流的流动状态 2 2 ，1 固体颗粒的粒径与液、固两相流的流动状态 在实用流速范围内，液、固两相流中固体颗粒直径的大小决定着液、固两相流的流 动状念，对于密度相同的固体颗粒来说，固体颗粒的粒径越小，那么它在浆体中的悬浮、 分散性能就越好。杜兰德( d u r a n d ，1 9 5 2 ) 1 基于沙子及砾石在水中的悬移流动状态，用 粒径的大小，把实用流速范围内的液、固两相流流动状态分为以下3 类： 1 、均质流也称均质浆体( h o m o g e n e o u sm i x t u r e s ) ：d 3 0 r a n 2 、中间浆体( i n t e r m e d i a t em i x t u r e s ) ：3 0 p m d 5 0 p r n 3 、 非均质流也称非均质浆体( h e t e r o g e n e o u sm i x t u r e s ) ： ( a ) 悬移状念非均质流( s u s p e n s i o n ) ：5 0 p m d 0 2 m m ( b ) 悬、跳移状态非均质流( t r a n s i t i o nc a t e g o r y ) ：o 2 r a m d 2 m m 除了杜兰德以外，前苏联学者c ”ona “pee 和日本产业机械工业会”也用固体颗粒的 粒径对实用流速范围内的浆体流动状念进行了分类。不论是上面提及的那一种分类方 法，它们均将粒径d = o 0 5 ，0 2 ，2 r a m 的值作为区分浆体流动状态的境界值。表2 1 给出 了以杜! i 德标准为基准的般分类方法。显然，浆体的流动状态不仅仪受浆体中固体颗 第章液、尉两相流的流动特性及重要流动参数 表2 - 1浆体流动状态分类表 王坐：i ：! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 旦型旦! i 翌g ! 竺! 垒i ! i ! 呈 颗粒直径d分类1分类i i 粒粒径大小的影响，它还受固体颗粒沉降速度及紊流强度和规模的影响。观察研究表明， 浆体的流动状态与固体颗粒的密度、流体的密度、流体的粘度、固体颗粒形状、管道直 径、固体颗粒浓度以及浆体平均流速有关。表2 2 给出了浆体流动状态与固体颗粒自由 沉降时，c 。一r e p ( 阻力系数与粒子雷诺兹数) 关系线( 见图2 9 ) 所处区域的关系。 表2 2 浆体流态与c 。一r c p 关系线所处区域关系表 t a b 2 2t a b l eo fc d r e pr e l a t i o n s h i pz o n e 固体颗粒直径d 0 0 5o 0 5 d 0 1 鱼坚2 流动状态均质流非均质流非均质流 c 。一r c p 关系 线所属区域 s t o k e s ( 司托克斯) a l l e n ( 艾伦) 2 2 2 平均流速与液、固两相流的流动状态 与清水水流相同，含有细颗粒( 固体颗粒直径小于0 0 5 r a m ) 的均质浆体在水平管道 内流动时，也有层流流态和紊流流态。均质浆体在低流速下呈层流流态，在高流速下呈 紊流流态a 随着浆体平均流速由高向低或由低向高变化，均质浆体的流态也由紊流转入 层流或由层流转入紊流流态。试验表明，均质浆体的紊流与层流过渡时的临界雷诺兹数 也是2 1 0 0 2 3 0 0 。 非均质浆体的流动状态也随着浆体平均流速的变化而改变，且流动状态变化更为多 样。为了描述非均质浆体流动状态随浆体平均流速变化而变化这一过程，我们不妨先假 设非均质浆体是在管道底部出现静止堆积层的流动状态下流动着，当搬送流体速度逐渐 增加后，浆体的流动状态将发生如图2 2 所示的变化，位于管道底部堆积层上面的流体 流速增加后，到了一定的阶段，堆积层表面的颗粒就会开始转动起来，此时，管道内的 浆体已经进入了界限扫流流动状态。如果流速再进一步提高，堆积层表层就会有沙潋和 沙丘出现，这一现象是由于堆积层表层流动