浆体管道的不淤流速研究.docx

浆体管道的不淤流速研究费 祥 俊( 清华大学)摘要属于均质与非均质混合流的工业浆体管道, 其不淤流速由颗粒保持悬浮要求的紊动强度来决定. 基于浆体物理特性及固体颗粒紊动悬浮理论, 并应用大量管道试验的观测资料, 可 推得浆体管道临界不淤流速新公式, 全面反映浆体的粘性、 颗粒组成、 浓度以及管道内径等因素的影响, 因而使不淤流速确定摆脱了对环管试验的依赖性及局限性, 为大口径输煤管道输送 流速确定, 提供简便且可靠的依据.关键词煤浆管道不淤流速紊动悬浮大管径中图分类号353TD近代工业浆体管道输送, 虽然固体浓度高, 绝大多数仍属两相紊流流态, 固体颗粒仍由紊动支持其悬移运动.本文基于这一认识, 并充分利用迄今为止已积累的大量试验资料, 通过分析验证得出不 同条件下浆体管道不淤流速合理的计算方法.管道中浆体浓度的垂向分布管道中固体颗粒在垂向的浓度分布是评价流动属于均质或非均质的重要标志, 为维持浆体长距离 稳定输送, 减轻管壁磨损, 又不消耗过多的输送动力, 总是力求在一定条件下使浓度分布尽可能均匀. 在输沙平衡条件下, 悬浮颗粒由于紊动而向上的交换率应与由于重力而向下的交换率处于平衡状态, 即1E s dcV /dy + cV = 0,(1)式中, E s 为颗粒的质量交换系数, E s 与动量交换系数 E m 有固定的关系, 即 E s = E m ; 为比例系数. ( 1- y /h )duu 3 根据动量交换系数定义有 E m =, 再由流速分布公式得出=, 代入上式=du /dydu /dydyy得 E m = u 3 y (1- y /h ) , 这是动量交换系数垂向分布公式, 代入式 (1) 积分, 可得a /(h - a ) Z ,cV /cV = (h - y ) /y(2)式中, cV , cV 分别为任一高度 y 及 a (参考点高) 上的体积比浆体浓度; Z = / u 3 为颗粒沉速与表 示紊动强度的数群 u 3 之比; 为卡门常数; u 3 为摩阻流速.方程式 (2) 即浓度垂向分布公式, 经明渠试验资料验证, 与实际符合良好. 对于管道中的情况如果 h 取在最大流速点, 则式 (2) 可应用于封闭的矩形管道, 从矩形断面转换到常用的圆管,试得出一种有实用价值的浓度分布近似表达式1 , 其形式为经实际测lg (c/ca ) = -式 ( 3) 具有与式 ( 2) 相同的关系,118 (/ u 3 ) = - 118Z.c/ca = cV /cV.这里 ca 为圆管中心线处的浓度;(3)c 为离管收稿日期: 1996- 10- 25第 5 期费祥俊: 浆体管道的不淤流速研究533顶直径 0108 倍处的浓度.对于两种粒径组和管路上的两个位置, 取样测得 c/ca 实测值与用式 (3) 的计算值之间的比较, 符合程度是满意的.浆体管道不淤流速表达式2根据上节分析,浆体管道浓度分布可以通过 c/ca 或相应的 Z 来评定,但要确定不淤流速却需要先 1确定不淤条件下悬浮指数 Z = Z c. Z c = 90 / u 3 c = 90 (8/f ) 2 / v c , 不淤条件下的平均流速 v c 为 1v c = 90 (8/f ) 2 / Z c.(4)为安全计取 = 1. 0;考虑固体颗粒对紊动的抑制作用, 低于清水时 = 0. 4, 取 = 0. 40. 82;90 为悬液上限粒径 d 90 在一定浆体浓度下的沉速; f 为D a rcy 阻力系数, 对于浆体管道可表达为 f =0. 11 ( /D + 68/R e) 0. 25. 在相当宽的紊流范围内, 上式经验证是适用的. 其中, R e 是基于浆体粘性 计算的雷诺数, 即 R e= vD m /g ; 为管壁粗糙度, 对于商用新钢管 = 0. 005 cm ; 为浆体对紊动抑制的影响系数,一般 d 0. 07 mm 时, 其形式为34v c = 0. 255 (1 + 2. 48cw D ) .(8)式 (8) 表明, 当其他条件不变时, v c 只与管径的 0. 25 次方成正比增加.最近趋向用较粗颗粒浓度分布要求 c/ca 0. 4 0. 5 来估算浆体管道不淤流速. 据式 (3) , 当 以 1浆体 d 90 在该浓度下的沉速计算时, 如取 c/ca = 0. 4, 得 90 /u 3 = 0. 221, 以 u 3 = v c (f /8) 2 代入上式,得 1v c = 90 (8/f ) 2 /0. 221 = 3990 /f .(9)式 (9) 表明, 管道不淤流速 v c 与管径无直接关系.以湖北省某磷尾矿管道输送为例, 比较不同不淤流速公式的管径影响因素.该尾矿固体密度 s =75 g /cm 3 , d 90 = 0. 15 mm , 设计输送浓度 cw = 40% (相当于体积浓度 cV = 0. 195) , 相对粘滞系数为 y2.相应 d 90 的沉速 90 = 0. 65 cm /s.各个公式不淤流速与管径关系计算结果如表 2 所示.= 3. 0,第 5 期费祥俊: 浆体管道的不淤流速研究535表 2各公式 v c- D 关系比较Table 2Com par ison of re la t ion sh ip be tween v c an d DD /cm项目备 注14. 820. 530. 040. 050. 0式( 6)式( 7) 式( 8) 式( 9)1. 441. 271. 641. 981. 601. 501. 762. 051. 801. 811. 912. 171. 962. 092. 032. 252. 102. 232. 142. 32cw = 40%d 90 = 0. 15 mmy= 3. 0v c/m s- 1由表 2 可见, 各式结果有较大差异.颗粒的非均质流条件下得出的; 式 (8)这些差异还与各公式对粒径因素忽视有关.如式 (7) 是无细作为经验公式, 对粒径因素考虑也很粗糙, 只分成几个级, 式( 8) 适用于 d = 0. 07 0. 15 mm ; 式 (9) 把不同条件下保持不淤的 /u 3 作为常数来考虑. 这些都与实际情况出入较大.412输送浓度对临界不淤流速的影响浆体管道不淤流速在浓度较低时, 随浓度增加 而加大, 以保持足够的紊动强度, 当浓度达到某一高 度以后, 又随浓度增加因颗粒沉速快速下降, 可使不 淤流速随之下降. 而以往的非均质流不淤流速经验 公式计算得到的不淤流速却随着浓度提高而单向增 大. 图 3 中同时示出不淤流速的实测点, 它们基本上 都落在式 ( 6 ) 的关系线上. 可见, 类似式 ( 7 ) ,( 8) 等经验公式未能考虑浆体不同浓度下的物理特 性, 因而所得不淤流速与实际情况有出入.需要注意的是图 3 中式 (6) 所示的 v c - cw 关系不能无条件的向下延伸. 随着输送浓度的提高, 到一 定程度以后, 由于浆体粘性剧增, 以致流态由紊流过图 3v c- cw 关系F ig13 R e la t io n sh ip be tw een v c and cw1 式 ( 8) 曲线; 2 式 ( 7) 曲线; 3 式 ( 6)曲线;s= 2. 75 g/cm 3; D = 14. 8 cm渡到层流的意义., 这时以紊流为基础的式 (6) 便失去存在413浆体粘性对临界不淤流速的影响粘性是浆体的主要物理特性之一, 它对一定浓度及管径下的临界不淤流速有明显的影响.一定浓 度下浆体粘滞系数反映浆体颗粒的特性及粒度组成.以往几乎所有的不淤流速经验公式, 包括早些时候清华大学提出的公式 (见式 10) 都未反映出粘性或其颗粒组成对不淤流速的影响.如1/4 cV 1/4.gD s /m -(10)v c = 9. 61d 85 /D以浆体浓度分布均匀性要求 c/ca 0. 4 来推算的不淤流速,流速的作用, 其结果与实际情况差别较大.即式 (9) , 却夸大了浆体粘性对其不淤下面用内蒙准格尔煤与山西平朔煤的试验结果来说明上述问题.试验表明, 两种煤在粒度组成基本相同的条件下, 内蒙煤内含水分高, 经流变试验测定, 其浆体粘度高于相同浓度的山西煤浆体.因 而在相同管径下内蒙煤浆的不淤流速将小于同浓度山西煤浆.表 3 列出上述两种煤的基本特性及浓度cw = 50% 、 管径为D = 450 mm 时各个不淤流速公式计算的结果.煤炭学报1997 年第 22 卷536表 3 浆体粘性对不淤流速影响的比较Ef f ec t of slurry v isco s ity on n on depo s it ve loc ityTable 3v c/m s- 1 ( t= 20 )名 称d 90/mmd 85/mmyf式( 6)式( 9)式( 10)准格尔煤( s= 1. 56)平 朔 煤( s= 1. 53)0. 700. 6420. 30. 019 31. 691. 291. 640. 700. 649. 50. 015 11. 871. 971. 60上式结果表明,式 (9) 夸大了浆体粘性对不淤流速的影响,使相同浓度及管径下两种煤浆的不淤流速差别很大; 而式 (10) 未考虑浆体粘性影响, 所得两种煤的不淤流速在相同条件下差别很小.可见正确测定浆体粘度有重要意义.综上分析, 本文提出的浆体管道不淤流速公式具有普遍意义, 可用于各种物料及泥浆的管道输送,对大口径煤浆管道输送更有重要意义.参考文献1 瓦斯普 E J. 固体物料的浆体管道输送. 黄河水利委员会科研所翻译. 北京: 水利电力出版社, 19842 Shoo k C A. P ip e lin ing so lid s: th e de sing o f sho r t d istance p ip e line s. In: P ro c sym p o n p ip e line t ran spo r t o f so lid s. s. l.:C anad ian So c C h em E ng in ,19693 费祥俊. 浆体与粒状物料输送水力学. 北京: 清华大学出版社, 1994. 392 394作者简介费祥俊, 男, 教授. 1952 年毕业于清华大学. 现从事河流泥沙、 固体管道输送等方面的教学和研究工作. 发表“煤浆管道输送参数的计算模型”等论文 30 余篇, 著有“浆体与粒状物料输送水力学”一书. 北京市海淀区清华大学水 电系, 邮政编码: 100084.STUDY O F NO ND EPO S IT VELOC ITY IN SL URRY P IPEL INEF e i X ian g ju n(T sing h u a U n iv ersity )A bstra c t A s th e f low o f in du st r ia l slu r ry in p ip e lin e b e lo n g to th e com b in in g o f h e te ro gen eo u san d hom o gen eo u s f low , th e no n depo sit ve lo c ity o f f low is de te rm in ed b y th e in ten sity o f tu rb u len ce, w h ich suppo r t th e su sp en sio n o f so lid p a r t ic le s. B a sed o n th e p h y sica l p rop e r t ie s o f slu r ry an d th eo ry o f tu rb u len ce su sp en sio n o f p a r t ic le s, an d a lso b y u sin g a g rea t am o u n t o f exp e r im en ta l m a te r ia ls, a n ew fo rm u la fo r ca lcu la t in g c r it ica l no n depo sit ve lo c ity in p ip e lin e t ran spo r t o f slu r ry is deve lop ed. It exp re sse s th e effec t s o n th e no n depo sit ve lo c ity o f th e v isco sity, so lid co n cen t ra t io n , p a r t ic le com po si2t io n o f slu r ry an d th e d iam e te r o f p ip e. H en ce it can b e u sed to de te r