（机械设计及理论专业论文）管道输沙分层结构的两层模型分析.pdf

摘要 管道输沙特性是江河湖库、港口航道疏浚工程关注的基本问题之一，国内外工程技术 人员进行了相当多的理论和实验研究。本文以水平管道输送中沙、粗沙为对象，应用两层 模型进行研究。 中沙、粗沙由于自身粒径较大，在重力作用下，泥沙沿输送管道横截面的分布呈现上 层稀疏、下层浓密的特点，据此可将整个流动简化为具有不同平均速度和平均浓度的两层 流动。本文重点是，以直径为1 5 0 眦l 管道的若干输沙工况实测浓度分布为依据，应用两 层模型方法分别对中沙和粗沙流动分层结构进行计算分析；在此基础上，总结出两层模型 分界面的位置、下层浓度等参数的变化特性，利用两层模型，分别对管径为1 5 0 删= 1 1 和 2 0 0 n 吼的管道输沙阻力损失进行预测。研究表明，两层模型能够刻画泥沙在管道中输送的 分层结构；两层模型对阻力损失的预测基本能够描述阻力损失变化情况，但对于“双峰” 阻力特性预测，两层模型还有待于进一步改进。 本文研究成果对管道固液两相流的研究有一定的参考价值，并可为疏浚工程中挖泥船 泥沙输送系统的设计提供参考依据。 关键词：泥沙，管道水力输送，两层模型，阻力特性，固液两相流，分界面位置 a b s t r a c t s 孤d 蜘却o r ti nap i p e l i n ei s 恤m o f b a s i cp r o b l 黜i nd r e d g i l l gp r o j e c t so f n v e r s ，s ， r e s e n ，o 趣，蛐o r sa n dw a t e l w a y s 1 1 1 e r ea r el o t s o fm e o 础c a la n de x p e 血n 酬删l e sb y m a l l vd o m e s t i ca n df o r e i 印t e c l l i l i c i a i l s i nt l l i sp 印e r ，m et w o 。1 a y e rm o d e l i s u s e dt or e s e a r c h 龇 m e d i 哪s a n d 锄d c o a r s es a i l d 仃a n s p o r ti i lah o r l l t a lp i p e l i n e b e c 舢赔o f 群l v 时o fp 卸m c l e sm b i g g e rd i 锄e t e r ，m e d i 唧s a n d a n dc o a r s es a n d c o n c e 曲眦i o n2 u c r o s s 也e 仃2 u l s p o r tp i p e l i i l e c r o s s s e c t i o ne x k b 砥n l ec h 心l c t 肌s 乜co fl e a i l p 枷c l e si 1 1u p p e rl a y e ra n dr i c hp a r t i c l e s i i l1 0 w e r1 a y e r t h e r e f o r e ，t h ew h o l en o wc 觚b e s 曲p l i f i e d 硒俩ol a y e r s 埘也d i 疵r e n t v e l o c i t i e sa n dc o n c e n 仃a t i o n s n l em 出p o 缸si nt h i sp a p e ra r ea sf 0 1 l o w s f 甄也em e a s u r e d 纰o f 啪d c o n c 删o n d i s 仃i b u t i o no fs e v e r a ls a n d 仃a n s p o r te x p e r 洫e n t a ln m si 1 1 a15 0 m mp i p e l i n ea r eu s e dt 0 c a l l c u l a t ea i l da i l 2 l l y z et h ef l o w l a y e r e ds t r u c 乱矾b yt w o l a y e rm o d e l s e c o n d ，m ec h a r a c t e r i s t i c s o f 雠f l o wp a r a m e t e r s ，s u c ha l st h e 幽r 缸ep o s i t i o i l ，m ec o n c e 船a t i o no f t l l el o w e r1 a y e r ，e t c 。， a r es u i i 吼a r i z e d 姐d 也er e s i 咖c e1 0 s s e so fs 锄d 呻砥i i l n l e1 5 0 姗a n d2 0 0 m mp i p e l i i l e s a r cp r e d l c t e d n l es t u d ys h o w s 帆t h e 咖1 a y e rm o d e lc a i lb eu s e d t oa n a l ) ，z e 位l a y e r e ds 叽咖e 耐舭 s 纽dt r 2 m s p o r ti i lap i p e l i i l ea 1 1 dm ef o r e c a s to f 廿l er e s i s t a 】e1 0 s s 西v e nb y t ：h et w o 。l a y e rm o d e l c a i lb a s i c a l l yd e s c r i b et l l ev 撕哪o fm e r e s i s t a i l c el o s s b u t 位觚o - l a y e rm o d e l 鲥mn e e d s t 0b e i i n p r o v e do nm cf o r e c a s to f 也es oc a l l e d “帆o - p e a k c h a r a c t e r i s t i co f r e s i 舳c el o s s - r e s u l t so f 也i sp 聊c a i lb el l s e d 嬲ar e 触c ef o r 舭咖d y o fs o l i d - l i 叫d 啪- p 慨f 1 0 w i np i p e l m s 趾df o r 也ed e s i 弘o f p o w e r 扰v e si n 此s l u 9 咖o r ts y 蛐。士ad r e 鸭 k e y w o r d s ：s 锄也p i p e l 妇h y l 蛔i i c 懈即嘣 ，伽o - l a y e rm 。d e l ，r e s i s t a i l c e 幽删c s ， s o l i d 1 i q u i d 铆o - p h 觞ef l o w ，s i i 培l e - n u i dm o d 吐打n e r f 犯ep o s i t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：孟型：2 0 0 8 年6 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：孟! 丝2 0 0 8 年6 月1 0 日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 管道水力输送是一种以液体( 通常为水) 作为载体通过封闭管道输送固体物料 的运输方式。虽然它的发展仅有几十年的历史，但由于其具有效率高、成本低、 占地少、无污染、安全可靠和可合理配置等优点，已被广泛应用于众多工业领域。 如江河湖库、港口航道、城乡河网的清淤疏浚，冶金和电力行业的精矿砂、尾矿、 煤炭、粉煤灰渣的水力输送，核工业铀矿、废水废料的输送，以及化工、建筑等 部门的原材料、中间产品、建筑材料的输送等等【l 弓j 。 1 1 管道水力输送的发展概况 1 1 1 管道水力输送技术的发展 管道水力输送始于1 9 世纪中叶，在初始阶段，只有个别国家采用小管径、 短距离的管道进行水力输送固体物料的研究，输送浓度比较低，年输送量也比较 小，尚属于小规模的试验探索时期。1 9 0 6 年，布莱奇发表了固一液混合浆体的首 批室内试验研究报告，奥布莱思、海伍德进行了有压管道内浑水运动特性的研究， 为管道输送技术的发展奠定了基础【3 j 。 1 8 9 1 年，美国在沃华斯安得留兴建了世界上第一条水力输煤管道，随后英 国开始利用管道输送煤及石灰石。5 0 年代以后，研究固体物料管道水力输送的 国家有所增加，年输送量也有所增多，输送管径和输送距离也有所增大。例如美 国、英国、苏联、法国、澳大利亚、日本、加拿大、南非等都大力开展了固体物 料水力输送的研究和开发。进入2 0 世纪7 0 年代以后，采用管道水力输送固体物 料的国家愈来愈多。据不完全统计，目前全世界已有2 0 多个国家使用这种运输 方式。输送固体物料的品种达2 5 种之多，年输送量达5 0 0 0 万吨以上，最大输送 管径达9 6 5 i i 1 1 ，最大输送距离增长到2 2 0 0 l ( n l 。固体物料的管道水力输送技术在很 多工业化国家，也得到了广泛应用。 美国水力输送系统在世界居首位，1 9 7 1 年建成的黑密萨管道输送系统，管 道长4 4 0 1 ( 1 i l ，管径4 5 7 咖，年输送量5 8 0 万吨，效率高达9 9 6 。1 9 7 9 年投入运 行的埃特西输煤管道，长1 6 4 0 k 1 1 l ，管径9 6 5 m ，年输送能力2 5 0 0 万吨。据统计， 到了1 9 8 6 年，美国已建成的7 条大型输煤管道系统，总运距达l l o o o 多k m ，年 输煤量达1 4 6 亿吨。 管道输沙分层结构的两层模型分析 1 9 7 7 年巴西建成世界上规模最大的s 锄a r c o 铁精矿管道，管道输送长度 4 1 0 k m ，输送管径5 0 8 唧，年输送2 亿吨。 波兰的输煤管道发展也很快，其中1 9 7 9 年开始兴建的卡托维兹输煤管道， 输送距离长达8 0 0 l ( 1 。 实践证明，固体物料的管道水力输送技术安全可靠，经济效益显著，已经从 人们的兴趣而又可能冒险的状况，迅速发展到有能力代替常规的输送方式并以惊 人的速度迅速地完善与发展。随着工业生产的发展，固体物料水力输送在世界各 国工业建设及能源开发中，越来越显示其远大的生命力m 】。 我国管道水力输送技术的应用相对较晚，5 0 年代后期才开始利用管道水力 输送土方修筑堤坝。第一条长输管道建于1 9 5 8 年由克拉玛依至独山子炼油厂。 6 0 年代后逐步将这一技术应用于水利、火电、冶金、化工、造纸、建筑等行业。 规划建设中的山西省盂县至山东省黄岛的盂( 县) 一维( 坊) 一黄( 岛) 输煤管 道是我国第一条长输煤管道，总投资4 7 8 2 亿元，运距为7 2 0 k m ，管径为4 5 4 m m ， 输送重量浓度达5 0 ，年输送能力为7 0 0 万吨。 9 0 年代以后，我国的长管道建设有了新突破。油气长输管道约以每年4 0 0 余l 【1 1 1 的建设速度递增，又相继建成了一批长输管道，东北，华北，华东管网逐 步完善。长输管道建设不仅在陆地上有所发展，也向海洋、沙漠中延伸，另外输 送介质领域也不断拓宽。 近1 0 余年来，由于我国重视环卫的发展和考虑对燃煤的限制，大型水利工 程的建设，长江口航道建设，对江河湖泊的整治以及对各种工业废水、生活废水 的处理，管道输送技术仍将得到重视和发展。 目前我国各种用途的运输管道总长为1 6 1 0 31 ( n l ，管道运输业已成为继铁 路、公路、水运、航空之后的第五大运输行业。近年来建设的一些管道，引进了 国外先进的技术，对部分老管道进行了更新改造，从而使我国管道输送的总体技 术水平得到了很大提高。有的管道输送系统己接近或达到国际先进水平。但由于 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【7 0 1 1 。 1 1 2 管道水力输送的特点 管道运输以运量大、成本低、建设周期短、占地少、安全可靠、自动化程度 高以及设备简单、可在较恶劣的自然环境下连续输送等有点，成为与铁路、公路、 航空、水运并驾齐驱的五大运输方式之一【2 “引。 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 管道输送与传统运输方式( 铁路、公路、水运、空运) 相比具有很多优点： 1 输送能力大，适应范围广 固体物料的管道水力输送有很大的输送能力，适应于远距离输送。另外，管 道输送的方式决定了管道水力输送更适合于交通不便，客观条件用其他方式输送 不便的条件和环境。管道可以越过高山、洼地，允许坡度大，对复杂的地形适用 性强，而且对气候不敏感，受风沙雷雨的影响小。 2 输送成本低，工程投资省 流体输送与机械输送相比，生产效率高，设备构造简单，节约人力、物力， 经济效益明显。管道建设的费用和周期均不到铁路的一半，另外，据国外有关 文献提供的资料，水力输送成本是年输送量和运输距离的函数，大直径长距离的 水力管道运煤的成本与航运相当，比铁路运输低得多，而且运输距离也短。以年 运煤2 5 0 0 万吨计，输送相同的距离，每1 6 0 0 k m 的管线运输，铁路运输要比管道 运输的距离长5 8 0 l ( i 左右，铁路需要的劳力相当于管道运输的7 5 倍；3 0 年运 行期的钢材需要量，铁路运输相当于管道水力输送的1 8 倍，相对的一次性能源 费用，铁路为管道的1 5 倍。 3 占地面积小，无环境污染 管道输送系统的工程量只是铁路建设的1 3 ，占地仅为铁路的l 9 。许多工 业矿石，灰渣及化工原料，都含有污染物质。采用机械输送，装卸、运输过程等 都容易造成环境污染，对周围的环境带来危害。而采用管道输送，气体不易挥发， 液体不易外流，固体不易散落，沿途无噪声，无环境污染。 4 技术安全可靠，便于自动化管理 固体物料的水力输送，可采用仪表自动监测控制实现无人操作和自动化。 已建成的水力输送系统的运行实践表明，设计合理的系统，年工作保证率一 般都高于设计保证率9 5 ，例如美国黑秘密萨水力输送煤管道系统，全长4 4 0 l 【m ， 年输送能力4 8 0 0 万吨，自1 9 7 0 年建成以来，年工作保证率达到9 9 以上，是 至今最成功的管道运输典例。 1 1 3 管道水力输送在疏浚工程中的应用 1 9 世纪后期，随着第一批配有离心泵的挖泥船的出现，管道输送技术开始在 疏浚过程中得到应用。 管道输沙分层结构的两层模型分析 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间歇性的， 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。 图卜1 为绞吸式挖泥船正在施工中，用管道运输疏浚物。 幽卜1 管道输送在疏浚工程中的应用 我国地域广阔河湖众多，土质特性差异很大，固体颗粒可以是数十微米的淤 泥、毫米级的泥沙、厘米级的鹅卵石、甚至是大块的黏性硬质泥团，这些特点都 对管道水力输送的研究提出了更高的要求。 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 m j 。 1 2 管道水力输送研究的内容和进展 管道水力输送的最基本问题是固液两相流动。固液两相流动，即在流动系统 中存在着固、液两相且两相间存在相互作用的流动。对管道中离散的颗粒相与连 续的液体相( 水) 混合运动机理的研究，是管道水力输送技术应用的关键，也是 管道输送技术实现工业化的基础。 管道输送的固液两相流，由于液体中掺入了固体物料，因此管道两相流除具 4 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 有水力学的一般性质外，还具有它本身的独特性质。固相颗粒是多种多样的，可 以是泥沙、煤粉、水泥、盐类、谷类、面粉、纸浆等，也可以是大块的煤团、矿 料、渣浆、建筑材料等。种类繁杂，大小、形状、重度等物性参数迥异的颗粒的 存在，改变了管道液体流动原有的流场特性，使得管道内部的固液两相混合物呈 现出复杂多变的流动状态。此外，分散相颗粒的体积浓度、颗粒的粒径分布、两 相之间的速度滑移等，都可能在很宽的范围内变化，导致流动结构和流动形态迥 异。而描述两相物质运动的参量比单相流几乎增加了一倍。因此与单相流相比， 两相流的研究要复杂得多【l 弘17 j 。 由于管道内固液两相流研究的广泛性及复杂性，相应形成了几个研究方面： 阻力损失及影响因素、流动状态及紊动结构、浓度及速度分布、临界流速、泥沙 研究、水煤浆研究、流化床的研究、两相流的紊流模型等等。各个研究方向并不 是相互独立的，它们之间存在交叉，互有补充。下面主要从混合物的流动状态、 浓度和速度分布、临界流速以及阻力损失及影响因素几个方面来阐述该领域的研 究现状。 1 2 1 流动状态的研究 不同浓度、速度的固液两相流在管道中运动特性明显不同，导致混合物的流 动结构和流动形式也有较大差异。固液混合物在管道中不同的流动状态对管道阻 力损失影响很大。两相混合物在管道内运动状态的研究一直是管道水力输送研究 的基本问题。 w a s p 【1 8 】等把固体物料在管道中的流动状态分为两类：均质流与非均质流。 n e w i t t 【1 9 】通过实验观察了水平管道内的不同流动方式，把流动状态化分得更为详 细，如图卜2 。 董 塞 囊 蓄 1 ，笺船。，与脚 i 霜2 0玉o 岂翻寝两噬匕，荫t l 。 键台堆麓蓬k ，f m 。 t 1 ) 鞭沙丧口一苎嗍和悦咖量辟中的透动 c b ，毫苞倒略抽加酋t 璃葺在d 一悖m 警麝牟的远番 图1 2n e w i t t 流动状态图 管道输沙分层结构的两层模型分析 实际上根据w a s p 的定义，非均质悬浮流、推移层流动和固定沉积层流动均 属于非均质流的范畴。需要指出的是，真正的均质流是不存在的，严格的讲，应 为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。 均质流和非均质流的流动特性是不同的，关于流动状态的划分标准也就成了 多年来争论的一个焦点问题影响管道中混合物流动状态的因素很多( 体积浓度、 颗粒粒径、输送速度、管道参数等) ，许多学者做出了各自的划分标准。早期的 划分方法是以颗粒粒径为标准的，由于只考虑了粒径因素，适用性较窄。g i v i e r 用颗粒沉降速度来判别。w a s p 【2 0 】提出了用管道断面垂线浓度分布来划分流动状 态。实际上，速度分布和浓度分布是决定流动状态的重要因素。 从图卜2 可以看出流动状态的变化与管道内混合物的流速及浓度有很大关 系，因此流速分布和浓度分布的研究也是管道水力输送理论及实验研究中的一个 重点。 1 2 2 浓度和速度分布的研究 在管道两相流中，要说明流动状态、阻力损失等问题，必须了解管道中的浓 度和速度分布，这也是多年来两相流研究的重要课题之一。 早期的研究主要以试验为主。d u r a nd 【2 1 】曾在d = 1 5 0 姗的管道中研究了粗细两 种粒径( d 5 0 = o 1 8 i b i i l ，d 5 0 = 2 0 4 姗) 泥沙的浓度和流速分布。后来n e 谢t t 【1 9 1 、t o d a 嗍 等又在不同的管径下对各种泥沙进行了试验研究，并提出了一些相应的计算公 式。但是由于当时的测量手段的限制，他们的分析成果仅限于特定的试验条件， 不具备普遍意义。 近些年来，从理论上探讨管道两相流浓度和速度分布机理的文献增多。如 r o c o 【2 3 1 、a s k u r a 【2 4 】、许振良【2 5 1 等人采用数值解法计算了水平管道沉降性浆体的 浓度和速度分布。a l a j b e g o v i c 【2 6 】、魏进家【2 7 】等对管道密相液固两相流动进行了 数值研究。张兴荣【2 8 】则提出了高浓度管道输送的流速分布计算模型。 图卜3 给出了不同流动状态下的浓度和速度分布图，可以很好地说明问题。 其中，横坐标分布表示固体的体积分数c v 和混合物流速v m ，纵坐标表示距管底 的距离y 与管径d 的比值。 6 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 嘉馥务糟j逮霞分布藏动糗参 ： ，i ， - ，辫dl ：新渺 ? j 每：，l 再 多，、 、， 拽融 、或量，。3程薹 i 。i 。，i ，一， 。u 一哪i 一 、 i 影搔 。i 滞 l i 瓢 葛 、j臻筠囊箍 ，瞄； 0 7 氆室 一 ， j 鼍，：。，、一严7 i u0 喈 掣一一j r 辨； l 撕d； 有挫籀瑶耱 菲霉身甓蕊 馐l 嚣 一 t r l i 氛5 ； 气 ；国5 j 专j 、一 ， 钿 一hu ，f j - ， 1 归 。 l 参j ) 番锐藩黝 z 蔫瑚贾麓 鼍m j | 霞矽 一l o 。 纛警 种一j 图卜3 浓度分布、速度分布与流动状态的关系 从图卜3 中可以看出，不论流体的流动状态是哪一种，浓度沿垂线分布的状 态都是上小下大。这也是人们长期以来对浓度分布的一个普遍认识。但是随着科 技的进步以及实验条件的改善，从大量的水槽，管道乃至天然河流中的实测浓度 分布资料来看，相当多的情况下，浓度沿垂线的分布是先由小变化到某位置时达 最大值，尔后又向小变化，如图卜4 。倪晋仁，王光谦陟3 0 】曾对此作了大量的研 究，用i 、i i 型对这两种浓度分布进行了区分并从理论上解释了两种浓度分布产 生的原因，增加了人们对浓度分布的新认识。对一研究结果不仅具有理论意义， 而且关系到生产实践中输沙率计算的精确度。 1 2 3 临界流速的研究 临界流速的研究是管道固液两相流研究中的一项重要课题。 当管道中混合物的实际运行流速大于临界流速时，要消耗大量能量，不经济； 而当实际运行流速小于临界流速时，管道底部发生淤积，这时对工程安全运行不 利。因此临界流速的研究至为重要。 至今，临界流速尚无统一定义。t h o m a s 【3 1 】使用“最小输送流速”，指在管道底 部出现不动的或滑动的颗粒时的流速。d u r a n d 【2 0 】将断面平均流速与水头损失的关 7 管道输沙分层结构的两层模型分析 系曲线( 简称j u 曲线，如图卜5 ) 上阻力最小的流速，称为临界流速。 0体积浓度c 图1 - 4 悬移质浓度垂线分布i 型、型示意图 图1 5j - u 曲线图 w a s p l l 8 】取j u 曲线上最低点并结合观察浆体颗粒流动状态，将管底出现不动 颗粒淤积层时的流速，称为临界流速。川岛俊夫【2 】采用观察管中浆体颗粒运动状 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 开始出现固定床面层时相应的流速，称为临界流速。国内研究者如张兴荣【z j 、费 祥俊【3 2 1 、王绍周【3 3 】等人则主张“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的流速。白晓宁【3 】等人总结了以上几种观点，并集中比较了 三种典型的流速，即临界淤积流速v 小阻力最小流速v c 2 和临界不淤流速v 。3 的 关系，如图卜6 。当颗粒粒度较粗并且均匀时，v c 2 和v c 3 可能重合。 8 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 o ￥ 图1 - 6 三种不同临界流速的比较 从各家对临界流速的定义来看，早期的临界流速测量还主要是以目测法、图 解法为主，这也会造成一定的误差。近年来，由于测试技术的发展，早期的目测 法和图解法已逐步被电测法所取代，张兴荣【2 】、王绍周 3 3 】对此作了一些介绍。 由于各家对临界流速的定义不同，加上试验手段各异，处理试验数据方法的 差异导致了大量计算临界流速的公式不尽相同。大多数的临界流速公式都属于经 验公式，不具备普遍性。但是各家在影响因素上的认识却大抵相同。 管道固液两相流输送中，影响临界流速的主要因素有管径、浓度、密度、颗 粒级配、大小及形状等。它们之间相互影响，相互制约，但是尽管在上述因素相 同的条件下，所得临界流速也可能不同。这是由于影响临界流速大小的因素错综 复杂，变化机理还没有被人们完全掌握，因此有关管道固液两相流临界流速的问 题还有待于进一步研究。 1 2 4 阻力损失的研究 管道阻力特性直接关系到物料输送动力设备的选择和运行成本，是管道水力 输送技术最为关注的问题。阻力变化特性及各种因素对管道阻力特性的影响是主 要研究内容。管道水力输送阻力损失的研究，关系到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半经验公式【l j 。管道输送固体 物料的阻力特性比清水复杂的多( 如图1 6 ) ，不同的流动状态其阻力变化规律 也不一样。 9 魄羹簧 管道输沙分层结构的两层模型分析 早期的研究中阻力损失是基于苏联学者m a benmkahob1 9 4 4 年 提出的重力理论，并认为管道阻力损失( 水力梯度) ，。为两部分组成，分别为 清水水力梯度和固体颗粒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，而另一部分则在管底做推移运动，消耗额外的能量。 许多学者基于清水的研究，结合实验提出了各种各样的阻力损失计算公式与 减阻措施【2 】。因其研究侧重点、研究对象及试验手段不同，所得出的结果也不尽 相同，目前仍无统一的管道两相流阻力计算公式。在阻力损失实验研究方面，现 有的成果以水煤浆管道实验结果居多。国外( 如荷兰、德国) 因疏浚工程的需要， 对管道输送泥沙进行了大量实验研究。目前，国内管道输送泥沙的研究成果相对 较少。此外，不少学者也对管道水力输送其它固体物料，如食品、聚烯烃颗粒、 污泥、赤泥、石灰石、纸浆等进行了研究。 研究阻力特性及其变化机理的另一个目的，是改进已有的减小混合物流动阻 力的措施，如细颗粒减阻、充气减阻、振动减阻及聚合物减阻等，提出新的减阻 方法。 管道固液两相流涉及的参数较多，管道特性( 管径、绝对粗糙度) ，物料特 性( 粒径、密度、形状、粒度级配) ，固液混合物特性( 输送流速浓度、粘性、 温度) 及固体与载流体之间相互作用等，对阻力损失都有一定的影响。 为了分析各因素对阻力损失的影响，很多研究者采用孤立因素的方法进行试 验研究。d u c k w o r t h 【3 4 】采用比水轻和比水重的物质进行试验，研究颗粒密度的影 响。s h 0 0 k 【3 5 】采用中径分别为o 2 衄及0 5 姗且各具3 种不同分散程度的泥沙， 在d 为5 3 m m 及1 0 7 嘞的管道中研究了泥沙级配对阻力损失的影响。戴继岚等 也曾进行过类似的颗粒级配试验。除此之外，t h q m a s 【3 1 】以粗细不同的泥沙研究颗 粒粒径对阻力损失的影响。m a t o u s e k 【3 6 】对管道沙水固液两相流动进行了深入系统 的研究。倪福生【3 7 。9 】对不同粒径泥沙的输送特性及细颗粒泥沙的减阻特性进行了 实验研究。 针对各因素影响程度及方式的不同，人们提出了多种减阻方式，这些减阻措 施都在一定范围内有明显的减阻效果。费祥俊【3 2 】对高浓度与中浓度管道输煤的阻 力特性进行了比较，结合实验说明了适当的粒径分布( 如“双峰 分布) 可提高 输送浓度及输送效率。徐桂萍等【4 0 】分析添加剂在高浓度水煤浆输送时的作用。李 培芳等h 1 1 探索了温度对管道摩阻损失的影响。在局部减阻方法中谭幼媛m 】分析 了振动在浆体管道输送中的作用。赵利安，许振良【4 3 】对多种减阻方式进行了分析 和讨论。 1 0 河海大学硕士学位论文第一章绪论 由于管道固液两相流动的多样性、复杂性，对其阻力损失研究的方法也是多 种多样的。大体来说有三种方法：工程近似方法、理论解析方法和实验研究。 1 工程近似方法。两层或三层模型法是一种常用的工程近似分析方法。在 管道固液两相流中，固体颗粒密度一般大于液相载流体。固体颗粒在重力作用下， 形成上稀下密的浓度分布，从而在铅垂方向上有较明显的浓度分布分界面，上下 流速也不同。因此将两相流动在铅垂方向上分为两到三层，各层均假定为均匀连 续介质，分别考虑各层运动状况及颗粒的存在对流动的影响，交界面的位置经反 复迭代确定。两层或三层模型是由一组连续性方程和动量方程组成，分别描述了 每层的连续方程和动量守恒方程。各层之间通过界面作用力联系在一起。 这种模型法简单实用，计算量小，易于求解，可用来对两相流场进行近似计 算和分析，也可用于管道输送固体物料阻力损失的预测。缺点是模型较为简单， 对流场的描述比较粗糙，对于无明显分层的两相流运动无能为力。 2 理论解析方法。当颗粒浓度较低时，可采用离散粒子系的方法描述颗粒 的运动；而当颗粒浓度很高时，就需要考虑将颗粒群看成连续介质( 双流体模型) ， 对颗粒群赋予连续的物理量如压力、密度、速度等。一般而言，颗粒群的运动既 有离散的“稀薄气体”效应，又具有连续的“稠密气体”的碰撞效应。固液两相 流动的另一个特点是两相之间的非平衡流动。如果固液两相速度差很小，混合物 的平均速度基本能代表各相流动，则流动是平衡的，用普通的单相流体力学的方 法就可以处理( 单流体模型) 。然而大多数两相流动是非平衡的，固液两相速度 有滑移，有时差异还很显著，此时应把两相分开来处理【l5 1 。 由此可见，固液两相流远比单相流复杂。既要避免数学模型过于复杂繁琐， 又要抓住主要矛盾，就必须对不同类型的流动采用不同的处理方法。目前较多采 用的理论模型有：单流体模型、双流体模型、颗粒运动的l a g r a n g e 描述方法等。 3 实验研究方法。任何理论模型的正确性都要靠实验加以检验，实验技术 的提高可以推动理论研究向前发展。由于两相流动的复杂性，实验研究是管道固 液两相流研究不可或缺的重要手段。管道两相流的测试系统和测试方法均不同于 清水工况。固体颗粒的存在使得系统参数( 压力、流量和浓度等) 的检测变得更 为复杂。_ 些发达国家对两相流动的试验研究进行的比较早，从5 0 年代开始就 投入了人力物力进行管道输送的研究工作，一批批较为先进的实验室相继建成。 我国从2 0 世纪7 0 年代中期以后，为了发展管道输送技术，相继在清华大学，浙 江大学，中国矿业大学，北京科技大学，河海大学，大连理工大学，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。此外，有些生产部门还直接在生产现场进 管道输沙分层结构的两层模型分析 行实验研究，获得了不少有价值的实验研究资料。 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 妇、m o n i 、许振良i 删等发表了一系列有关这方面的文章。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【4 5 】等人用人工神经网络法来预测阻力损失，鞍山冶金 设计研究院的张士海、孟哲锋【4 6 】也研制了计算机软件预测流速及阻力损失，秦宏 波、白晓宁【4 7 】等在c m 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。 由于固液两相流动的复杂性，管道水力输送物料的理论问题，如固液相互作 用机理、固液混合流动的湍流模型等等并没有真正得到解决。管道输送工程在设 计及运行过程中所遇到的实际问题，如泥浆泵功率配备、输送阻力损失、输送临 界不淤流速、最佳输送浓度和管径、减阻措施、管道磨损、堵塞，以及泥泵管道 动态特性与水锤、输送系统安全稳定运行等等，这些问题的解决在很大程度上还 依赖于经验和实验。开展管道固液两相流的理论和实验研究，对于完善管道输送 技术理论基础，提高管道水力输送工程的设计和运行水平，促进管道水力输送技 术的工业化应用，具有深远的意义。 本文研究内容 本文在查阅了国内外大量文献的基础上，针对疏浚工程中泥沙的水力输送， 应用工程近似方法即两层模型的方法，对不同浓度和速度下的水平管道输沙阻力 特性进行探讨和分析。由于本文主要讨论两层模型方法在管道输沙阻力研究方面 的应用，而细沙( d 5 0 = o 1 2 3 m m ) 在管道输送过程中主要以均质流的形式运动， 无明显分层现象，不适合采用两层模型方法进行研究。因此，本文的主要工作内 容是研究中沙( d 5 0 = o 3 7 2 m m ) 和粗沙( d 5 0 = 1 8 4 m m ) 在水平管道中输送的主要 流动结构特征以及阻力损失特性，分析泥沙颗粒在管道中的运动规律，建立阻力 预测的两层模型，并对1 5 0 i 姗及2 0 0 i l m 管道输沙阻力损失进行预测。 本文中所有的实验数据均来自文献 3 7 3 9 。 1 2 河海大学硕士学位论文第二章管道中的泥沙运动特性 第二章管道中的泥沙运动特性 2 1 管道内泥沙运动的基本形式 在管道水力输送中，泥沙颗粒按其运动形式不同，可分为悬移质运动和推移 质运动。悬移质运动指一部分颗粒在水流强度作用下离开管底向上悬浮，随水 流的诸流层悬浮运动。还有一部分颗粒在水流强度作用下沿着管底以滚动、滑动 或跳跃的形式运动，称为推移质运动。其中推移质又包括接触质、跃移质和层移 质。在运动过程中始终与沙床保持接触的称为接触质，在管底部做间隙式跳跃运 动的称为跃移质，四周与其他沙粒相接触并成层移动的称为层移质。如图2 1 所 示【1 1 。 静止床面 接触质运动 瓣，) 韵接触质，j 艘明 j 悬移质运动 ) 蒌瑟3 函j 接魁质j 炮明 j ，悬移质运动 j 嚣器3 韵1 椎夥质 歹靠融硒j 糟明 借修腴 ，矧黼；蓟1 j 韵 ，静止床面 图2 。1 泥沙的基本运动形式 管道输沙分层结构的两层模型分析 推移质和悬移质的所占比例因颗粒大小及输送速度大小而异。在输送速度较 低时，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 1 ( b ) 中的位置时一方面颗粒项部附近的流速增加，压力相 应降低；另一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 结果将使上举力加大。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，出现跃移质运动， 如图2 1 ( 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，流动的紊动性进一步加强，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做悬浮状态运动，如图2 1 ( d ) 。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。 随着流速的继续增加，一部分颗粒已经以滑动、滚动、跃移的形式运动，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 1 ( e ) 。 以上分析可以看出，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。在同样的输送条件下，颗粒愈细进入悬浮状态的机会愈 大。推移质与悬移质运动的规律不同，不同的运动状态应采用不同的方法来处理， 以使复杂的固液两相流问题得到简化，从而便于理论分析。 2 1 1 悬移质的运动特点 泥沙颗粒以悬移质形式运动时，颗粒在水流方向的速度与水流的速度基本一 致，因此并不会直接消耗水流的能量，泥沙颗粒悬浮的能量来自于水流的紊动， 并随紊动的旋涡前进。 1 4 河海大学硕士学位论文 第二章管道中的泥沙运动特性 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 流接近粗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状的不规则性，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，流体的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【1 j 。 此外，悬移质和水流掺混在一起共同前进相当于增加了水流的单位容重，从 而加大了水流的静压力，使输送的阻力增加。 2 1 2 推移质的运动特点 在一定水流强度作用下，推移质的运动方式是靠近管底处的颗粒以滚动、滑 动或跳跃的形式向前推移。推移质的跳跃运动并非由于水流脉动所致，而是固体 颗粒与床面发生碰撞的结果，从而发生动量变化，沿水流方向出现动量减小。从 此以后，由于受水流作用，到下一次与床面碰撞时，沿水流方向的动量又恢复到 原来状态，使得在平均情况下跳跃得以维持。当颗粒从床面向上跃起离开床面进 行运动时，都要从水流中吸取能量，其中还有小部分还给水流，而大部分能量转 化为热能而消耗掉，但这部分能力取自水流运动而不是取自水流脉动动能。同时， 颗粒在床面上以滚动、滑动的推移质运动，同样通过碰撞、摩擦而额外消耗一部 分能量【1 】o 推移质泥沙与水流之间存在明显的相对运动，会额外消耗掉水流的能量，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。 1 5 管道输沙分层结构的两层模型分析 2 2 固液两相流阻力特性研究 2 2 1 阻力变化的一般规律 管道输送固液两相流，由于液体中掺入了固体物料，使得浆体管道的阻力特 性和清水管道有很大的不同。图2 2 是管道固液两相流阻力特性与流速的典型对 应关系曲线【1 7 1 。 - 毯 鳟 裳 鼍 图2 - 2 管道固液两相流阻力特性曲线 从图中可以看出，清水管道的阻力特性曲线随着流速的增加是单调上升的， 其阻力损失与流速的卜2 次方成正比。而对于浆体管道的阻力特性曲线来说，情 况要复杂得多，其阻力变化可分为a - b ，b c 及c d 三个阶段： a - b 段：当管内流速达到一定程度后，固体颗粒开始运动，这时颗粒的运动方 式主要是滑动、滚动和跳跃，颗粒形成推移质状态，消耗了部分的能量。随着水 流速度的增加，一方面水流本身的阻力增加，另一方面消耗于固体颗粒运动的能 量也增加。随着流量的增加，更多的颗粒参与运动因而阻力损失随着流量的增加 而增加。 b c 段，当流速继续增加时，大部分固体颗粒处于间歇悬浮或跳跃状态，而沿管 底滑动、滚动的固体颗粒则越来越少，因此固体颗粒沿管壁滑动而消耗的能量逐 渐减小。由于流速的增加，加大了颗粒的悬浮程度，从而减小了运送固体颗粒所 消耗的能量。虽然液相阻力随流量的增加仍然在增加，但两者共同消耗的能量在 减小，故两相流阻力损失在这一阶段呈下降趋势。 1 6 河海大学硕士学位论文第二章管道中的泥沙运动特性 c d 段，当流速进一步增加时，绝大部分固体颗粒处于悬浮或跳跃状态，管底 滑动、滚动的固体颗粒越来越少，消耗于固体颗粒滑动、滚动的能量也越来越小， 但液相的能量消耗随流量增加而有较大幅度的增加。当流量增大超过一定的程 度，固体颗粒完全处于悬浮状态( 图中c 处) ，逐渐布满管道的整个截面。随 着流速的增加，混合流的阻力也逐渐增加，而且与清水阻力曲线逐渐接近，直至趋 向于大致平行。 2 2 2 阻力损失的一般机理 管道中通过粘性流体时，会产生一定的摩擦阻力，要克服阻力必然要消耗一 定的能量，阻力损失的根源正是由于流体能量的耗散。对于浆体管道中的推移质 和悬移质来说，能量耗散的途径是不一样的【l 】： 1 ) 当固体颗粒以悬移形式运动时，由于颗粒悬浮主要依靠紊动力来支持， 因此悬移质运动一般处于紊流状态。如果把浆体流动