水平管道中推移质与悬移质之间比例与平均流速之间关系的研究.docx

1、2005年第3期第化木5袱右PipelineTechniqueandEquipment2005No.3水平管道中推移质与悬移质之间比例与平均流速之间关系的研究李伟I,许振良2（1.中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳110015;2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新123000）摘要:根据前人的理论和研究成果，通过分析水平管道中推移质与悬移质组成的几何关系，对于水平管道中推移质与悬移质的之间比例与平均流速之间的关系进行了深入研究，得出推移质、悬移质与平均流速之间的关系式，确定了管道输送中的重要系数对以后研究管道内流速分布以及确定临界速度奠定了基础。关键词:水平管道;推移质;悬移

2、质;固液两相流中图分类号:TD807文献标识码:A文章编号：1004-9614(2005)03-0004-03StudyoftheRelationshipbetweentheRatioofBedloadtoSuspensionLoadandtheMeanVelocityofFlowinHorizontalPipeLIWeiXUZhen-liang2(1.ShenyangDesign&ResearchInstituteofSinoCoaJInternationalEngineeringGroup,Shenyang110015,China;2.CollegeofResourceandEnv

3、ironmentEngineering,IjaoningTechnicalUniversity,Euxin123000,China)Abstract:Onthebasisofthepredecessors,researchandtheory,andthroughananalysisofthegeometricrelationshipbetweenthebedloadandthesuspensionloadwithinthehorizontalpipes,anin-depthstudywasconductedoftherelalionsliipbetweentheratioofthebedloa

4、dtothesuspensionloadandthemeanvelocityofflowwithinthehorizontalpipe.Theirrelationalexpressionwasobtained,andtheimportantcoefficientK4wasestablished,thuslayingafoundationforestablishingboththeflowvelocitydistributionandthecriticalvelocitywithinthepipesinthefuture.Keywords：horizontalpipes;suspensionlo

5、ad;bedload；solid-liquidtwo-phaseflow1引言深入分析研究。固液两相流研究在工程中最典型的应用是固体物料的管道水力输送。固体物料的浆体管道输送是-种新兴的现代化运输方式，相对于其他运输方式,管道水力输送技术起步较晚，但以其具有装置简单,生产与运行费用低，输送能力大，充填效率高，便于实现管道工艺连续化、机械化和自动化，经济效益好，对环境污染小等显著优点，目前已被广泛应用于煤炭、冶金、化工、水利和环保等诸多工业领域。流态介于推移与完全悬移之间流域推移质与悬移质之间比例与平均流速的关系则决定了k4的取值（K4为处于滑、跳移运动状态的固体颗粒即推移质占固体颗粒总质量的比

6、例系数）。匕作为水平管道输送中的一个很重要的系数，它不但影响管道中固体颗粒与管壁之间的受力，而且还影响了管道内的水力坡度以及速度分布，所以的确定对于研究水平管道输送具有重要意义。文中从水平管道中推移质与悬移质组成的几何关系出发,通过推移质极限厚度与两相流体的流动特性、颗粒特性等因素建立的数学模型，对推移质与悬移质的之间比例与平均流速之间进行2推移质与悬移质的划分在水平管道中，当水流拖曳力超过起动拖曳力以后，固体颗粒进入运动状态。起动形式因水流强度大小而不同，从固体颗粒运动的支持力及运动形式角度考虑，把固体颗粒划分为推移质和悬移质。推移质与悬移质运动状态随浆体平均速度的变化如图1所示。2.1推移

7、质运动当水流速度超过起动流速以后，颗粒开始离开床面向前滑动或滚动，无论是滑动或滚动，它们在运动中经常与床面保持接触.由于颗粒的相互作用及床面的高低不同，在一定流速下颗粒又以跳跃形式向前推进。跳跃的高度、距离及跳跃一次后停留在床面的时间，因水流强度的不同而改变，所以这种运动的颗粒又称跃移质。作为一种运动模式，跃移可以将滑动或滚动都包括在内，因为滑动、滚动均可视为跃高为零的一种跃移运动。以这种形式运动着的颗粒统称为推移质，如图1（a）所示。推移运动在床面附近发生，以其运动的间歇性（就某一特定颗粒来说）及不断与床面颗粒交换为特征。收日期,203-11-18收修改稿日期：2004-12-28推移质的平

8、均运动速度远低于水流平均速度。第3期李伟等:水平管道中推移质与悬移质之间比例与平均流速之间关系的研究5固体颗粒从床面跃起、加速，以及与床面的摩擦、撞击,直接消耗一部分水流势能。这部分消耗占水流总势能的比例，将随推移运动的强度及水流周界阻力等因素而定。(a)固体K检全部呈推暮堀动状态(b)固体烦杖部分里推尊运动状赤，部分呈是暮运动状恋(c)固体烦W部分呈推谷毋动状衰.部分呈是暮运动状衰(d)固体顼检全部£«9运动状态ffll固体颗Ct在水平管道中的运动状态2.2悬移质运动当水流速度继续增加，紊动进一步加强，水流中充满着大小不同的旋涡，这时，固体颗粒在自床面跃起的过程中，可能遇

9、到向上的旋涡，并被带入距床面更高的流区中。一般来说，这要求旋涡向上分速必须超过颗粒的沉速,而且旋涡的尺寸也一定要比固体颗粒大很多。被水流带到远离床面而运动着的颗粒称为悬移质。如图1(b)、图1(c)、图1(d)所示。颗粒的悬移运动发生在整个水深范围内，但其垂直的固体浓度往往有一定的分布梯度。靠近床面的悬移质不断与推移质发生交换。悬移质的运动速度与水流速度基本一致，因而消耗能景很少，而且，是从紊流的动能中取得这部分能段。既然悬移运动从紊动动能中取得能量，而紊动动能是从水流势能转化而来的，因此悬移运动虽然不直接消耗水流势能，其数量亦应占有水流势能的一部分，与推移运动能量消耗相比，悬移运动的能景消耗

10、要小得多。悬移运动的支持力是紊动旋涡。这使悬移颗粒较均匀地分布在液流中，因而增加了悬液的容重。所以，与推移质通过固体传递压力到底床不同，悬移质是通过悬液容重的增加,增加作用到底床的静压力。3推移质、悬移质与平均流速关系模型3.1推移质与悬移质之间几何比例关系图2为水平管道中推移质、悬移质比例图。图2水平管道中推移质、悬移质比例图在图2中，处于管道底部阴影部分是推移质，阴影部分以上为悬移质，通过几何比例关系，可以求出推移质的面积S为5(=-号sinSeos8(1)推移层厚度如为.D(1-cos。)林=当管内流体速度很小或者为零的时候，此时管内固体颗粒处于淤积状态,所有固体颗粒都沉积于管道底部，形

11、成固定床，设此时固定床对应的管道中心角为四,所以固定床面积S为心段固定床的体积，即此段管道内全部固体颗粒的总体积V为V=S匕Sym式中5加为堆积密度，粗沙的堆积密度一般为0.590.61,中沙为0.520.59,细沙为0.510.56。如果沙土中夹杂有少最黏土，堆积密度可以减少到0.46-0.50o随着管道内流速的增加，固定床消失，一部分固体颗粒以推移质的形式运动，另部分则成为悬移质。此时推移质的体积*为Vb=St匕Sy.式中Sy.为推移质的体积比固体浓度，近似于松散堆积的浓度。悬移质的体积*为vv-vb从而处于滑、跳移运动状态的固体颗粒占固体颗粒总质量的比例系数匕为_矿bPs_SLSy.p.

12、_(。-sin-cos8)4一亿一SALSymp.一Sym(。0-Sin0()860Q)(3)式中P，为固体颗粒密度。3.2推移质层厚度的确定作为悬移层和推移层交界面的高程，推移质层厚度如是管道输送的一个重要参数。夏震寰、戴继岚认为滑、跳移颗粒层(即推移质层)的极限厚度与两相流体的流动特性、颗粒特性和浓度密切相关。计算推Jun.2005PipelineTechniqueandEquipment凡0.425>号111晋罗"0.393华沽N>1.0N<1.0移质层厚度的经验公式为=0.425-yinNN>1.0如393-加'N<1.0式中：/V为相对

13、雷诺数；D为管道直径。相对雷诺数的计算公式为能意式中：c为管道出口平均体积分数；Re为两相流动雷诺数；Rep为固体颗粒雷诺数。两相流动雷诺数和固体颗粒雷诺数的表达式分别为&=世边(6)Rep=(7)式中：Pm为两相体密度；编为两相体平均流速"m为两相体熟度；叭为固体颗粒的自由沉降速度；九为固体颗粒的有效直径uo为清水的运动黏滞系数。将式(5)、式(6)、式(7)分别带入式(4)中，得到推移质厚度表达式：3.3系数A值的确定联立式(2)、式(3)、式(4)可得:(9)N>1.0N<1.0Syarecos(ln/V-0.15)J1-(InN0.15)2(lnN0.15

14、)】SymQ-sin缶海00)Sy*arccos(*InN-0.214)-J1-(*ln/V-0.214)2(土InN-0.214)Sym(S)-sinS)cos6Q)式中N=4计算结果分析使用帖川恭三、Dumnd等专家的试验条件及试料参数对系数匕进行计算，其试验数据见表lo表1流动试验条件及有关参数一览表m粒径:4颗粒密度P，面积指数k,试料管内经体积平均速度%<(cws*1&计算值种类I)/cm分故C/%/cm1帖川恭三0.3061.161.0树脂球411.6940.432帖川恭三0.3061.161.0树脂球4)1.01590.033帖川恭三0.3061.161.0树脂球4

15、3.520204帖川恭三0.3061.161.0树脂球414.0970.445Durand0.0182.621.5细沙158.230506Durand0.0182.621.5细沙157.040907Newitt0.1552.671.5砾石2.542.0527308Newitt0.1552.671.5砾石2.543.772590实验序号为3,5,6,7,8的K4值为0,原因为流动试验的平均流速大于(浮游界限速度)，管道中固体颗粒全部处于悬浮的运动状态；而试验序号为1,4的&值介于01之间，此时流动试验的平均流速处于以和。d(堆积速度)之间，而管道中的固体颗粒部分处于悬移，部分处于滑、跳移

16、的运动状态；试验序号为2的&接近于0,因为此时的试验的平均速度很接近于映,固体颗粒的运动接近于悬移和推移两种运动状态间的临界点c从计算结果和分析可以看到.所得的K与实际情况和理论分析相符合。5结束语从水平管道中推移质与悬移质组成的儿何关系出发，通过推移质极限厚度与两相流体的流动特性、颗粒特性等因素建立模型，推导出推移质与悬移质之间比例与平均流速之间的关系，并得出重要系数K4的表达式，对于以后更加深入的进行体积分数分布、速度分布以及水力坡度的研究奠定了基础。尤其对于研究固体颗粒部分处于悬移、部分发处于滑跳移时的非均质流更具有重要的影响。管道中固体颗粒在水流中的运动机理和过程十分复杂，受湍流运动机理、固液两相流相互作用认识的限制，对固体颗粒的运动的许多方面的研究仍处于在探索之中，对于研