（机械设计及理论专业论文）气举装置的理论与试验分析.pdf

重庆大学 硕士学位论文 气举装置的理论与试验分析 姓名 裴江红 申请学位级别 硕士 专业 机械设计及理论 指导教师 廖振方 20051101 中文摘要 i 摘要 我国海洋资源非常丰富 国民经济建设中急需的很多矿石如铁 锰 钴 镍 金 银 石油等矿产资源在我国的辽阔的海洋含量均很丰富 从海洋获得矿产资 源己是我国一项紧迫任务 然而深海矿床的开采 必从水下数千米输入到地面 这项课题已成为一个急待研究和解决的问题 另一方面三峡库区达到规定的贮水 水位后 水深 185 米 如何清除淤积在库区底部的大量泥沙也是急待解决的问题 本课题就是在上述的背景条件下 针对重庆某钢厂的沉碴池铁砂清理的一个具体 问题 探讨解决上述问题的可行性方案及相关的理论问题 如何清除该厂沉碴池底部的铁渣 水深 9 米 比重为 33 5 10 m 进行了理论与试 验研究 以便为今后浅海或深海的矿沙输送和提升以及三峡库区的清淤奠定了理 论基础 因此 本课题的研究具有重大的理论意义和实际意义 针对比重为 33 5 10 m 的铁碴提升 作者深入分析了以下几个方面 1 介绍了气举的工作原理 对气举装置的相关截面运用动量方程 伯努利方 程推导出气举装置的特征曲线方程 提出了气举用特殊喷嘴的设计方法 2 作者将气举装置看成一个系统 分析了影响气举效率主要因素了 分析表 明 影响气举效率的主要因素有空压机的效率 输气管线的效率 气举装置的效 率 输送管的效率综合决定 空压机作为气举系统的能量来源 它的稳定性对气 举的提升效率有很大的关系 输气管线的管径 输送管的管径大小的选择也至关 重要 在流量一定的情况下 管径的大小决定流体的速度 合适的流速可以使其 损失到达最小 从而能提高了多相流体在管中输送的效率 3 在理论分析和研究的基础上 作者设计了一套适合该钢厂沉碴池清碴的气 举装置 现场试验证明 利用该装置清除矿碴 比重为 33 5 10 m 是可行的 国 内 外目前均还没有利用气举能够提升这样大比重的固体颗粒的报道 综上所述 本课题的研究为三峡库区的清淤和深海矿石开采的输送和提升奠 定了理论基础 所提出的设计方法可供相关科技人员参考 关键词 气举 铁渣 清淤 射流泵 英文摘要 iii abstract there are very abundant resources in the ocean of our country which include iron manganese titanium cobalt gold silver petroleum and so on so mining the ocean resources has been an urgent mission however exploiting the mineral resources in the ocean bed we have to transport it from the ocean bed under the water several thousands meters to surface which becomes an important task that must be solved on the other hand how to clean the a lot of sand and silt under the three gorges sanxia reservoir region that has been another question solved how to find a solve method and theory has become an urgency problem we aim at above problems based on the experimental research success we have done we did some theory and experimental research on how to clean the scruff whose density 33 5 10 kg m is below the water surface 9 meters which established the academic foundation for the future transporting and lifting iron sand so the task has the important academic and practical significance the author analyzed the following aspects according to the lifting scruff firstly introducing the air lift principle and deducingcharacteristic equation by using momentum equation and berluni equation and putting forward the design way of extra nozzle secondly the airlift equipment treated as a system analyzed the mostly factors that affected efficiency of lifting it shows that factors affected the efficiency of lifting are the efficiency of air compressor the efficiency of transport air in the pipe the efficiency of airlift and the efficiency of transport sand in the pipe the air compressor supplies the compressed air the stability of the air compressor is related to the lifting efficiency it is important to choice the diameter of the transport pipe and lifting pipe because the velocity of the liquid depends on the diameter of the pipe at the stated flow mass the fitter velocity can decrease the friction loss improve the lifting efficiency thirdly the author designed an airlift equipment for lifting the scruff on the base of theory analysis and research it proved that it is viable for lifting scruff and there is 重庆大学硕士学位论文 iv no report on lifting solid grain the density is high in the domestic and overseas journal in conclusion i establish the academic base for clean silt and lifting mine resource the design method can be referenced for technology people key words airlift scruff clean silt jet pump 1绪论 1 1绪论 1 1 目的意义 1 1 1 概述 当今人类社会生存与发展的三大问题是 人口 资源与环境 海洋是全球生 命支持系统的一个基本组成部分 也是有助于实现可持续发展的宝贵财富 38 在 未来陆地资源日渐匮乏的时代 海洋将为人类提供巨大的能源 矿产 如何在海 底开采和提升矿石也是一个需要紧迫解决的问题 三峡库区达到贮水水位后 水深将达到 185 米 库区贮水后 水的流速减慢 从而导制大量的淤泥沉积在库底 如何清出在这样水深下的淤泥 从目前来看利 用气举装置提升淤泥是最有效的方式 我国现有各型挖泥船存在如下问题 功率大 能耗高 挖泥深度浅 一般只能够挖深 5 8 米的疏松泥砂和土层 挖掘硬度受到限制 三类以上硬土层及砂石必须借助水下爆破才能进行 这 就增加了水下开采的难度和危险性 旋转构件多 如斗轮 绞刀和砂泵等构件易磨损 更换频繁 维修量大 运 行成本高 设备管理复杂 根据对国内江苏镇江 福建马尾 常州达门等五家特种造船厂的调查 由于结构复杂 重量大 维修使用技术难度高 挖泥船售价较高 对于一般市县 河道施工企业来讲 很难承受 针对目前所面临的问题 如何寻求一个可行性方案 解决上述问题将是一个 摆在我们面前的紧迫任务 气举装置结构紧凑 无运动件 进出料口出口大致相 同提升能力大 每小时可达数千吨 能对水下任意深度 可达水下数千米 提取矿物 和泥沙且经济合理这已在我们的早期研究中得到证明 因此在已有的研究基础把 理论进行提高将是本科题的研究任务 根据目前国内外相关资料表明 气举装置 是目前最佳的方法 这也是开展本科题研究的目的 1 1 2 气举装置的特点 本装置首次将导师廖振方教授研制成功的自激振荡脉冲射流破碎器与气举装 置相匹配用于清淤设备中 与国内挖泥船相比 具有以下优点 利用自激振荡脉冲喷嘴产生的脉冲射流能破碎 级的泥土岩层 使开采 与抽取同时进行 抽吸深度不受限制 能抽吸水下几米到数百米处的泥砂和石块 本装置无旋转工作部件 吸淤管和排淤管的通径相同 吸入的泥砂很顺畅 重庆大学硕士学位论文 2 地排到指定地点 设备简单 工作可靠 维修方便 1 1 3 本课题研究的目的 本科题来源某钢厂 沉碴池内钢碴的清出 碴的比重平均为 5x103 m3 每班 应清出的渣量大约 5 8 吨左右 对于这种大比重固体颗粒的清出目前一般都采用抓 斗方式 然而抓斗设备不仅体积大 而且影响行车的正常工作 一般常常需要 1 至 2 个小时的待机工作时间 严重影响了该厂的经济效率 为此该厂与重庆大学 机械学院签定协定 利用气举来完成沉碴池的除碴工作 然而对于这种大比重的 气举提升在国内外均无报道 因此这项工作的实现 不仅有重大的经济的效率而 且有重要的理论意义 为今后进行深海开采或库区清淤奠定理论基础 1 2 喷射器的发展过程 喷射器的研究和应用已有 100 多的历史 3 15 早在 16 世纪 人们就已发现了 两种不同流体的混合现象 19 世纪末期 德国学者 g 佐伊纳 zeuner 和 m 兰金 runkin 根据动量定理建立了喷射器的设计理论基础 由于当时流体力学和空气动 力学等基础学科的还很不完善 他们建立的理论不能解决喷射泵的计算问题 20 世纪 30 年代流体力学和空气动力学等基础学科获得迅猛的发展 大大推进了喷射 器的应用和研究工作 前苏联在喷射器的理论与应用方面开展了大量的研究工作 k k 巴乌林 别尔曼等人完善了喷射器的计算方法 推导出喷射器在变工况下的的特征曲线方 程 k 罗菲 hoefer j e 高斯 gosline m p 奥必宁 obrien 等也进行了系统的液 体喷射泵试验研究工作 建立了它的基本特性方程 并将其运用于油井抽油 a g 汉森 hansen r g 寇宁汉 cunningham b j 希劳 b j hill 及 g b gilbert 等人对 射流泵的理论与应用都做出了重要贡献 我国从 20 世纪 50 年代也开始对喷射泵进行研究和设计工作 1983 年 11 月中 国机械工程学会流体工程学会召开了首届全国射流泵及喷射器学术讨论会 1986 年在杭州举行了第二届全国喷射技术学术讨论会 武汉大学陆宏圻教授在 喷射 技术 的理论及应用研究方面做出了重要贡献 1 3 气举装置的机械设计与制造概况 气举装置是由管道结构和机械传动系统所组成 在流体特性尺寸参数设计决 定后 16 装置的性能直接由气举装置的机械设计 制造 装配 调试所决定 国内外在当代机械制造发展方面具有以下主要特点 不断提高机床的加工速度和精度 减少对手工技艺的依赖 1绪论 3 发展少无切削加工工艺 提高成型加工 切削加工和装配的机械化和自动化程度 自动化从机械控 制的自动化发展为电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化 直至无人 车间和无人工厂 利用数字控制机床 加工中心 成组技术等 发展柔性加工系统 使中小 批量 多品种生产的生产效率提高到近似于大量生产的水平 研究和改进难加 工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术 机械设计方面 主要在两个方面进行了大量的理论研究和应用研究 在材料强度方面 应考虑材料的疲劳 断裂和寿命 在机械结构的力学分析方面 应用有限元分析方法和电子计算机对复杂的 机械及其零件 构件进行力 力矩 应力 应变等的分析和计算 对于掌握充分 的实践或实验资料的机械或其元件 已经可以运用统计技术 按照要求的可靠度 科学地进行机械设计 或者按机械的实际情况 实际的质量 实际的使用条件等 科学地判断其可靠度和寿命 但在许多机械工程工作中 仍还应用一些经验方法 经验公式和经验系数等 近三十多年来 机械设计的手段与方法有了很大的变化 设计手段上的数字 化 网络化和设计理念的进步 使机械产品的内涵有了很大的改变 并出现了以 正确处理人与环境的理念为指导的绿色产品设计 和综合数学电子技术和计算机 技术等的现代设计方法 如 并行设计 虚拟设计 可靠性设计 优化设计计算 机辅助设计 机电一体化设计等现代设计法 射流泵的机械设计在国内还未形成 系列化产品 大多是以单件或小批量设计制造为主 未形成设计 制造与安装规 范 设计 制造水平不高 针对气举装置目前的设计 制造水平 本文对射流泵的机械设计 制造 装 配进行了研究 提出装置的设计规范 达到使用可靠 方便 加工简单 制造成 本低 装配性能良好 并有很好的互换性的目的 1 4 液 固两相流的研究概况 气举提升属于三相流问题 射流泵提升过程属于两相流的问题 三相流型很 复杂且在气 液 固三相流中 固体物是悬浮于液体中并随之一起流动 所以可 以把液 固混合物当作一相 据相关文献报道 5 9 10 14 18 19 这种简化可以满足我们 对于问题的研究 本文主要探讨二相流的研究过程 二相流体动力学简称二相流 二相流包括气 固两相流 液 固两相流 气 液两相流 由于由不相溶两种液体组成的液 液流 在运动规律上与气 液两 相流和液 固两相流很相近 因此 人们也把它视为一种两相流 重庆大学硕士学位论文 4 与单相流相比 两相流要复杂得多 一方面二相流中的每一相都有其各自的 运动参数 流体特性 使得二相流的变量比单相流几乎要多一倍 另一方面在二 相流中各相的体积浓度 固体粒径大小 相间的相对运动速度大小都是一个变量 这就使得流体的流动性质和流体形态都会发生很大变化 这些因素都增加了建立 二相流理论的难度 此外二相流的运动过程是通过不同流体间的相互碰撞来进行 质量 动量 动能的传递 这也增加了建立二相流理论的难度 目前对于二相流理论的研究 归纳起来有下面两种方法 1 4 1 欧拉 eulerian 法 它是将流体相 carrier fluid phase 和分散相 dispersed phase 从宏观上均作为 连续介质处理 宏观的连续介质模型又可分为如下三类 1 分层流模型 对于分层流和管道中环状流这些有着较固定分界面的多相流 可与单相流一 样把各相假定为连续介质 2 双流体模型 二相流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 参数在相交界面上发生间断 通过相交界面各相发生质量 动量 动能的传递 3 扩散模型 单流体模型 假定相互作用着的二相构成了一种新的物质 混合物 且连续充满整个流场 对混合物用一组混合物流动参数描述 而每相的参数与混合物参数之间用扩散方 程联系 1 4 2 拉格朗日 lagrangian 方法 它是将流体相作为连续介质 而把分散相看作粒子 通过跟踪粒子 研究粒子 的轨迹 得到二相流的流场及各种参数 分散流模型可分为连续粒子模型 连续 表示法模型和分散粒子模型 分散粒子模型又分为确定性分离流 deterministic separated flow 模型和随机分离流 stochastic separated flow 模型 有人运用运动理论 kinetic theory 来研究气粒流中的颗粒行为 lun 和 savage 1987 二相流的实验研究方面 soo 1960 对气粒二相管流 采用热线及感光照片技 术 进行了统计测定 odar 1968 测量了小球在粘性流场中作不稳定运动的阻力系 数 hetsroni 和 sokolov 1971 考察小液滴对气体射流的影响 获得了时均质量 速度 紊动强度的分布 kramer 和 depew 1972 对气粒悬浮流的平均流动特性进 行了测量 得到气粒的速度剖面 baker 1973 对聚合物溶液中的紊射流进行了 lda 测量 tsuji 等 1982 1984 对水平圆管中气固流进行了 lda 测量 levy 和 lockwood 1981 对流化床燃烧器上的气粒二相射流用 lda 进行了测量 modarress 1绪论 5 等 1984 对气固圆形自由射流进行了测量 得到了二相的平均速度紊动强度剖面和 气相紊动剪切应力 并发现粒子的出现削弱了气体的速度脉动和 reynolds 剪切应 力 shuen 等 1985 1986 的实验 比较了局部均匀流模型 确定性分离流模型和 随机分离流模型 yoshinobu morikawa 1986 用光纤探头对水平气固二相管流中的 粒子速度和浓度进行了测量 loth 和 faeth 1989 对淹没在静止水下的圆形气体射 流进行了测量 rashidi 等 1990 考察了边界层中不同粒径 密度 体积浓度 雷 诺数 粒子与紊流的相互作用 发现了粒径 体积浓度越大则近壁区紊动强度和 雷诺应力增加 newe 1991 对射流泵扩散内的气液二相流进行了实验研究 发现 不宜采用短喉管 hishida 等 1992 对气粒紊流混合层中粒子的扩散 采用了 lda 技术测量 发现充分发展的剪切层中 粒子的扩散大于液体扩散 ishima 等 1993 对平面混合层中较大的影响 ferguson 和 stock 1993 对不同的粒径粒子的集散 进行了测量 获得了气粒流中粒子浓度剖面 kiger 等 1997 对粒子与紊流相互作 用引起的耗散进行了实验测量和分析 snyder 和 lumley 1971 theofanous 和 sullivan 1982 wells 和 stock 1983 parthasarathy 和 faeth 1990 分别对稀疏气粒 二相流中粒子速度进行了测量 rogers 和 eaton 1990 hussainov 等 1995 对气粒 二相边界层中粒子的行为及质量分布进行了实验研究 二相流的欧拉方法研究方面 melville 和 bray 1979 对湍气粒二相射流 采用 一阶封闭 得到了二相流的一阶封闭模型 crowe 1982 对稀疏气粒流的数值模型 进行了评价 giacinto 1982 对稀疏气粒采用双方式 与单方式比较而言 单方式 即粒子数量足够少 以致流场不受粒子存在的影响 粒子轨迹由流体所确定 耦合 进行了数值计算 choi 和 chung 1983 对气体悬浮流 引入混长理论采用一阶封闭 模型 计算了二相的速度剖面和摩擦系数 elghobashi 和 abou arab 1983 在宏观 上将二相视为连续介质 分散相的形状 大小均匀一致 体积浓度小到足以使颗 粒间无碰撞 二相均无相变的情况下导出了适合于稀疏的二相流的 k 双流体模 型 并将其用于气粒二相流的数值计算 eighobashi 等 1984 roco 和 shook 1985 用空间 时间平均法导出了适合不可压 大粒径 高浓度 达 70 有粒 粒作用 的基本方程组 durst 等 1984 对 eulerian 和 lagrangian 方法进行了比较 发现对 高含气率 采用欧拉方法好 mostafa 和 elaghobashi 1985 用 k 双方程紊流模型 对载蒸汽滴的气体射流进行了数值计算 chung 等 1986 采用一阶封闭的双流体模 型对 venturi 管中气粒流进行了数值计算 hetsrohi 1989 gore 和 crowe 1989 研 究了粒径和雷诺数对紊动强度的影响 ahmadi 和 ma 1990 ma 和 ahmadi 用空 间平均法导出了二相流的基本方程 并用于密相剪切流计算中 abou arab 和 roco 1990 讨论了固相对 k 方程的影响 hatta 1992 对轴对称气粒二相超音速射流 进行了数值模拟 考察了粒径对流动结构的影响 squires 和 eaton 1994 用 重庆大学硕士学位论文 6 dns direct numerical simulation 数据来评价稀疏条件下的 k 模型进行了数值模 拟 frishman 等 1997 对二相紊动管道射流进行了数值模拟 目的是解释粒子对射 流的收缩作用 计算中考虑了由于速度滞后引起的电泳力 相间碰撞 二相流的拉格朗日研究方法方面 在二相流中颗粒受到的力 流体对颗粒的 相互作用力和颗粒与颗粒间的相互碰撞作用力 流体对单颗粒的作用力通常采用 拉格朗日观点来研究 这就是单颗粒动力学模型 围绕颗粒在粘性流体中的受力 情况 keller 1961 odarhamilton 1963 saffman 1965 odar 1966 rubinow 和 morsi 和 alexander 1972 hinze 1975 kotasotas 1978 peskin 和 kan 1979 reeks 和 mclee 1984 tsuji 等 1985 yamamoto 1986 desjonqueres 等 1986 ounis 和 ahmadi 1989 1990 1991 gavze 1990 mei 1992 等人做了大量的工作 国内关于二相流的研究大多是基于拉格朗日观点 分析颗粒在流体中的受力 情况而导出颗粒的运动方程 蔡树棠在 1957 年最早开始了这方面的研究工作 邵 长城和许协庆 1986 对颗粒绕圆柱和叶栅的运动轨迹和冲击作用进行了计算 樊建 人和岑可法 1987 分析了煤粉颗粒在气流中所受力 用拉格朗日方法建立了煤粉颗 粒运动方程式 沉钧涛和陈十一 1989 讨论了粒子跟随性对外力 初始条件和流场 性质的依赖关系 对均匀湍流场 分析了不同密度比和扰动频率对跟随性的影响 黄社华和程良骏 1994 对颗粒所受的 basset 力进行了分析 认为在颗粒相对流体的 变速运动过程中 basset 力是一项比较重要的作用力 一般不宜忽略 但对于湍流 场中的调频分量而言 颗粒在其中受到的 basset 力很小 蔡树棠 1982 倪晋仁等 1991 陈国祥和罗斌 1998 对受重力支配的液 固二相流进行了理论分析 刘大 有 1986 从气体动力论出发 对二相流中的压强进行了详细的讨论 蔡树棠等 1986 从层流的 n s 方程出发采用雷诺平均 得到了二相流的基本方程 刘佑华和程良 骏 1992 建立了水轮机中液 固二相流的基本方程式和相似准则产 在数值计算及模型方面 郭本铁 1985 樊建人 1987 陈越南和张道树 1993 等对 euler lagrange 型方程的无限空间气 固二相射流进行了数值计算 李嘉等 19997 应用 euler lagrange 模型对沉沙池中的液 固二相流流场进行了数值模拟 沈永明等 1992 在 spalding 提出的双流体模型基础上 对油 水二相湍流浮力回流 进行了数值计算 廖定佳 1997 采用 spalding 的双流体模型 对压力的分担项做了 改进 模拟了射流泵内的液 气二相流动 综观以上研究 无论是实验方面 还是理论模型和数值计算方面都很还不充 分 对于流体相 基本上是沿用单相流体的研究方法 而颗粒相的研究起初多数 是采用拉格朗日方法 但由于它不便于与实验数据对照 后来很多研究者采用欧 拉方法 也是采用类比单相流的研究方法 k 模型被广泛用于计算颗粒相数值 由于缺乏可靠的实验数据 也阻碍了数值计算的发展 2气举装置 7 2气举装置 2 1 概述 2 1 1 气举装置的发展 随着人们生活水平的提高 对资源消耗的需求也越来越大 地表表层的矿源 越来越少 人们不自主地将目光投向了海洋和地表深层 欲从这里开采到我们所 需的矿源 4 7 8 人类在勘探 开采 提升 冶炼等学科上的不断发展 也为我们 进行海洋开采和地表深层开采提供了可能 经过勘探表明 海底蕴藏着丰富的资 源 如我国在东海近海的海底开采石油就是很好的例证 对一些贮藏在地表深层 的如鸡窝矿分布的矿源如采用传统的开采方式将是极不经济的 这些问题的解决 只有靠一种新型的开采方式来加以解决 从目前来看 气力提升是一种最为引人 注目的提升手段 中国大洋矿产资源研究开发协会于 1991 年获得联合国有关组织 的批准 成为继日本 俄罗斯 法国 印度后的第五个深海开采投资者 气举提 升因其结构简单 无运动件 经济合理 工作可靠等特点日益受到各国的重视 现很多国家都在研究气力提升装置 矿源提升属于气 液 固三相流技术 气力提升在我国最早运用于北方干旱 地区的深井抽水 最深可达数百米 超高层建筑供水也是一个头痛的问题 目前 常用的方法 就是通过建中继站的方法来加以实现 但投资巨大 如我们将气力 提升运用于高层供水 将大大节省费用 气举采油法也是运用较早的一种机械采 油方法 现在我国中原 吐哈 四川等油田得到推广使用 可以说矿源提升分气 液 固三相流技术是对气 液两相流技术的扩展 目前 对于三相流 气 液 固 的流型研究极少 基本上是移植气 液两相流的研究成果 因为在三相流中 固 体颗粒是悬浮于液体中并随之一起流动 所以三相流的流型可近似地按气 液两 相流流型分析 本文中的气举装置是将其运用于矿物提升中 2 1 2 气举装置工作原理 气举装置包括两个不同的过程 1 吸入过程 2 提升过程 气力提升中所需 的能量源由空压机产生的高压压缩气体提供 由空压机产生的压缩气体经喷嘴高 速喷出 从而在混合管形成局部真空 在收受室底部的液固混合物在收受室与入 口处压差作用下 将收受室底部的液固混合物吸入到混合室与压缩气体混合 从 而在喉管形成液 固 气三相混合物 此三相混合物的密度小于水 在大气压的 作用下将液固混合物输送出来 重庆大学硕士学位论文 8 图 2 1气举装置结构简图 fig2 1structural diagram of airlift 气力输送的特殊性 由于气体具有可压缩性 粘温性 焦耳 汤姆逊效应等一同于液体的特点 使得气力运输的计算原理与水力输送的计算原理相同 4 但在计算方法中应采取一 些特殊处理 其特殊性表现为 1 在液体输送中 由于摩阻生热 使得在管道出口端液体温度高于管口入口 端温度 在气体输送中因气体的焦耳 汤姆逊效应使得在管道出口端气体温度低 于入口端温度 2 由于气体具有压缩性 输送管道中气体密度随压力的改变而发生变化 因 此在压降计算中气体高度差与摩阻损失相互影响 而在液体输送中 由于液体密 度受压差变化影响很小可忽略不计 故液体压降计算中液体高度差与摩阻损失相 互独立 3 气体的粘度随气温的升高而增大 而液体的粘度正刚好相反 4 由于气体膨胀做功与磨擦功相等 故不考虑摩阻损失对温长的影响 液体 输送中 摩擦损失则是造成温长的一个重要因素 2 2 气力计算原理 特征曲线方程推导和喷嘴特性 2 2 1 气力计算原理 2 2 1 1 气体输送管道中压降计算公式的变形 牛顿体 流体在管道中的切应力 与切变率 dy du 流速在管道径向上的流速梯度 2气举装置 9 满足 dy du 0 0 为流体的动力粘度spa 关系式 1 4 在牛顿体中单位长度摩阻损失 2 2 d ip 2 1 式中 p i 单位管道长度的压力 mpa 达西摩阻系数 管道中的平均流速 m s d 管道内径 m 输送介质密度 kg m3 上式中的达西摩阻系数 雷诺数采用下式计算 re 62 5 27 0 lg 2 1 9 0 d 2 2 dd re 2 3 式中 管道内壁绝对粗糙度 m 气体的动力粘度 msn 气体的运动粘度 m2 s 气体密度 kg m3 由于在雷诺数re的计算中所涉及到的两个参数 随压强的改变而发生变 化 这给我们的计算带来不便 而在气体运输中 气体的质量流量为一常数 故 我们可以将 2 3 进行转化 2 4 dqw 2 4 式中 w q 气体的质量流量 kg s 将 2 4 代入 2 3 得 d qw 785 0 re 2 5 由 2 4 得 4 2 2 612 0 d qw 2 6 将 2 6 代入 2 1 得 5 2 8114 0 d zq i w p 2 7 重庆大学硕士学位论文 10 式中 z 压缩因子 见后 其余符号同前 由式 2 7 可以知道 欲要求得单位长度上的压降 只需知道一定压力下的气体密度 和达西摩阻系数 即可 2 2 1 2 气体状态方程 2 2 1 2 1 理想气体状态方程 理想气体就是认为气体分子没有大小 分子间不存在作用力 英国化学家玻 义耳 r boyle 于 1660 年通过实验发现一定质量的气体的压强与体积的乘积为一常 数 用下式表示 trpu 0 2 8 式中 p 气体的绝对压力 pa u 气体的比容 m3 kg r0 气体常数 kkgj t 气体的热力学温度 k 2 2 1 2 2 实际气体状态方程 在低压情况时 我们可以将气体当成理想气体进行处理 误差不大 但在高 压时 气体分子所占的体积与分子间相互作用力不能忽略不计 必须考虑这两个 因素的影响 1823 年丹麦物理学家范德尼尔 j d vander waals 对理想气体状态方 程进行了修正 其形式如下 trbu u a p 0 2 2 9 a b 为修正常数其大小与临界压力和临界温度有关 临界状态指气体没有液 气共 存临界点 a b 分别按下式公式计算 c c p tr a 64 27 22 0 2 10 c c p tr b 8 0 2 11 式中 c p 临界压力 pa c t 临界温度 k a 压力修正常数 26 kgmpa b 比容修正常数 m3 kg 0 r 气体常数 j kg k 可按公式 m r 8314 0 m 分子分子量 计算 对于压缩空气的气体常数 临界压力 临界温度 修正常数 a b 分别为 2气举装置 11 287 0 kkgjr mpapc77 3 ktc38 132 26 162kgmpaa kgmb 00126 0 3 2 2 1 3 压缩因子 2 2 1 3 1 压缩因子的计算公式 为了解决在实际工程中用理想气体状态方程计算结果的不准确和实际气体状 态方程计算的不方便 若干文献引入了压缩因子 对于理想气体状态方程进行了 变形 0 0 00 r zt pu t up 2 12 式中 0 p 标准状态下气体的绝对压力 pa pap101325 0 0 u 标准状态下气体的比容 kg m3 0 t 标准状态下气体的温度 k kt273 0 p 实际气体的绝对压力 pa t 实际气体的绝对温度 k z 压缩因子 2 2 1 3 2 压缩因子的变化规律 将式 2 9 2 12 变形得 2 0 u a bu tr p 2 13 tur a bu u z 0 2 14 u a bu tur pu 0 2 15 表 2 1不同温度不同压力时空气压缩因子 z tab2 1thecompress z in different tempture and pressure 气体 0 kkgj r t k r0t j kg u m3 kg p mpa z 压缩空气287 333 303 333 303 333 303 95571 86961 95571 86961 95571 86961 0 00232 0 0022 0 00914 0 0071 0 056 0 05 60 06 59 03 12 11 11 68 1 694 1 72 1 458 1 494 0 977 0 953 0 97 0 988 最小压缩因子 通过计算表明 相同压力下 z 1 时 温度 t 越高 则压缩因子越大 温度 重庆大学硕士学位论文 12 t 越小 则压缩因子越小 z 1 时 相反 当mpap7 1 各种气体的压缩因子均接近于 1 可按理想气体状态方程计算 mpap7 1 应考虑压缩因子 2 2 1 4 输气管路中达西摩阻系数和摩阻损失的计算 2 2 1 4 1 国外关于达西摩阻系数的计算 输气管路中达西摩阻系数的计算可由式 2 2 其精确计算 1 其结果是否精确 就看管壁粗糙度是否准确 也可参照下表所列公式进行计算 国外输气管道 计算方法和 取值 公式来源 计算方法 取值 mm 威莫斯 潘汉德 前苏天然气研究所 早期 前苏天然气研究所 近期 3 1 009407 0d 0302 0 re 1 68 1 4 0 2 383 0 d 2 0 2 067 0 d 0 0528 忽略 0 04 0 03 在我国建议取03 0 注意是考虑到制管技术及焊接安装水平等影响 2 2 1 4 2 气举装置提升管摩阻损失的计算 提升管内流动的为液 固 气三相混合物 压缩空气密度随着管压的减小而减 小 三相流的密度减小 致使在提升管内流体的速度逐渐增大 因此对于三相流 摩阻损失计算比较复杂 现列出摩阻损失的微分式由式 2 1 得 dx d d m zz pf 2 2 2 16 式中 pf d 微分摩阻损失 pa z 距离提升管出口面距离 z 处的摩阻系数 z 距离提升管出口面距离 z 处的输送流速 m s m 距离提升管出口面距离 z 处的三相流密度 kg m3 dx 提升管微分高度 m 输送流速 z 的表达式 m vm z a qq 2 17 式中 m q 液固两相流的质量流量 kg s 2气举装置 13 v q 压缩空气的质量流量 kg s a 计算管段过流面积 m2 三相密度 m 表达式 vz v mz m vm m qq qq 2 18 式中 mz 液固两相流在距离提升管出口截面 z 处密度 kg m3 vz 压缩气体在距离提升管出口截面 z 处密度 kg m3 由式 2 12 可知 tzr pz vz 0 2 19 考虑到提升管内压缩气体密度 随提升管高度的变化而发生变化 故三相流摩 阻损失也按基本摩阻损失和附加摩阻损失之和计算 dx wg cdx d d z z zmsvzzmz z pf 2 2 2 20 式中 pf d 微分摩阻损失 pa z z 处达西摩阻系数 s 固体颗粒密度 kg m3 z w z 处固体颗粒在气水两相流中的加权平均沉速 m s vz c z 处固体颗粒的体积浓度 按下式计算 vz v m m s s vz qq q c 2 21 式中 s q 固体颗粒的提升质量流量 kg s 整个提升管摩阻损失为 dxc d dxdp zmsvzzmz l z l pff 2 2 00 2 22 2 2 2 装置特征曲线方程 在推导气举装置特征曲线方程中的符号与脚注号的意义 符号 g 质量流量 p 压力 比容 w 速度 a 声速 f 截面面积 重庆大学硕士学位论文 14 下脚注号 临界截面 1 工作喷嘴出口截面 2 喉管的入口截面 3 喉 管的出口截面 p 工作流体 h 引射流体 c 扩散器的压缩流体 脚注的第一个符号表示流体 第二个符号表示截面 图 2 2气举装置原理简图 fig2 2principle diagram of airlift 根据假设 1 1 截面至 2 2 截面的圆柱体相互不发生混合 由动量方程得 10 2232233222 hhpphphhpp fppfppwggwgwg 2 23 入口截面上工作流体的速度 phpppp aaw 1212 2 24 入口截面上引射流体的速度 242hhh aw 2 25 混合室出口截面上混合液体的速度公式 3 3 3c c a w 2 26 根据质量守恒定理 1 ugggg phpc 2 27 p h g g u 喷射系数 对工作喷嘴中的工作流体运用质量守恒定理得 p ppp rt pcfg 1 2 28 1 1 1 2 p p k k p p k kc 我们假定工作喷嘴前的压力为滞止压力有 2气举装置 15 ppp pp 22 hhh pp 22 cc pp 33 2 29 联立解方程 2 23 2 24 2 25 2 26 2 27 2 28 2 29 并令 hc kk 得式 2 30 当工作流体为超临界膨胀比 1 h p p p 带扩散器的气体喷射器的特性方程式 具有如下形式 1 5 0 1 5 0 2 33 2 42121 1 1 3 u f f s f f sr f f p p p p f f p p p p c h p p h p p p p h p h pp h c 2 30 式中 pp kr pppp pp k kk s 2 2 1 将 th t t t t cc u u u 11 1 t uu 代入 4 30 得 1 5 0 1 5 0 33 2 42121 1 1 3 p tt p c t p h p p t p p p p h p h pp h c u u f f s f f sr f f p p p p f f p p 2 31 如果在0 t u时 在扩散出口处引向固体与液体混合物的容积容量大于压缩气 体容积容量时 即 ctt u 时 可以取0 tt u 此时特性方程 2 31 可简化为 1 5 0 1 3 121 1 1 3 t p c p p p p h p h pp h c usr f f p p p p f f p p 2 32 在工作流体为超临界膨胀比 1 h p p p 情况下气体动力函数 ph 和 ph q 按 p h ph p p 单值求得 在工作流体为超临界膨胀比 1 h p p p 情况下气体动力函数 ph 和 ph q 按 p h ph p p 单值求得 气举装置的特性曲线方程写成如下形式 1 1 5 0 1 5 0 3 1 3 2 1 421 2 3 1 t p t p c p p t p t p h h p ph ph ph p h p pp h c uuu f f uu f f q q f f p p k p p 2 33 重庆大学硕士学位论文 16 可达到参数 最佳截面比及几何尺寸的确定 当工作流体为超临界膨胀比 1 h p p p 将其特性曲线方程 2 33 求导使得 0 3 f f d pd p c 有 ph t p t p ttc tp out p un u u f f 21 2 42 3 3 5 0 1 5 0 1 2 2 34 式中 2 3 h f f n 由下式求得 1 1 3 1 3 1 3 3 2 3 p p p p p p h f f f f f f f f f f f f n 2 35 在用 2 34 计算 out p f f 3 时需要预先给定n和 c 值 然后使其趋于准确 也可 由下式求最佳截面比 其优点在于里面不含有事先不知道的 2 3 h f f n a acbb f f out p 2 4 2 3 2 36 式中 ph qa 21 5 0 1 5 0 1 2 2 42 2 3 21 uub p h p c ph 2 3 1 5 0 1 2u q c p c ph ph 式 2 36 中 ph ph q和 ph 是根据喷嘴出口处已知的工作流体的相对压力值 p h ph p p 来求得 将 2 34 和 2 36 的最佳截面比 out p f f 3 代入 2 32 即可求得 c p 的值 在工作流体为亚临界膨胀比 1 ph p p p 的情况时 将式 2 33 进行0 3 1 f f d pd p c 得 2气举装置 17 21 2 42 3 1 3 5 0 1 5 0 1 2 t p t p ttc tph out p un u u f f 2 37 将式 2 37 计算的 1 3 p f f 代入 2 33 中可求得 c p 如果我们已知给定的压降 c p 和 p p h p可以由式 2 30 2 32 和 2 34 联立求 解得到 p c phpp out p p p k f f 21 3 2 2 38 此公式适用于带扩散器的气举装置的工作流体的超临界膨胀比 1 h p p p 当 工作流体为亚临界膨胀比 1 ph p p p 联立求解方程式 2 33 和 2 37 得到 p c phphpp out p p p qk f f 21 1 3 2 2 39 从式 2 34 和 2 36 可以看出最佳截面比与引射固体和液体混合物的的大小无关 将方程式 2 34 带入方程式 2 30 可得引射固体喷射系数 t u 1 1 5 0 1 1 2 2 3 22 2 2 1 c h ph p p t p p k k u 2 40 2 2 3 喷嘴特性 2 2 3 1 射流喷嘴特性 气举装置喷嘴尺寸的确定 根据连续性定理得 pppp afg kg s 式中 p g 气体的质量流量 p 临界截面上气体的密度 3 mkg p a 临界截面上气体的速度 m s 将气体动力函数的相关关系式代入上式可得 对于工作流体为超临界膨胀比 1 h p p p 时 2 m pk ag f ppp pp p 2 41 重庆大学硕士学位论文 18 对于工作流体为亚临界膨胀比 1 ph p p p 时 截面按下式确定 2 1 m qpk ag f phppp pp p 2 42 式中 ph q是根据 1 截面的相对压力降 p h ph p p 确定 喷射器轴向尺寸的确定 c l 喷 嘴出口截面至混合室入口截面的距离 遵循 自由流束的终截面要与混合室入口 截面相等 k l 混合室长度 a d3 d4 b d3lc1 时 喷射泵的工 作严重恶化 这是因为在此种情况下自由流束带入到混合室的流体大于喷射泵能 通过的流体 致使一部分流体从混合室倒流到接受室 增加了喷射泵的附加损失 此时喷嘴出口截面至混合室入口截面的距离应该取为下式 其图见 2 3 21 l ccc ll 3 18 l2 混合室入口段长度 在这段直径由 d4 变化到 d3 lc2 由以下公式确定 tg dd 2 l 34 c2 3 19 混合室入口段的形成线与喷射泵轴线之