管道水力输送中料筒起动流速的试验分析.docx

1、第38卷第5期2007年9月Vol.38No.5Sep.2007太原理工大学学报JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY文收稿日期,2006-12-05金项目：国家自然科学基金资助项目（50579044）作者前介：全炳欣（1980），女，湖北荆门人，硕士，主要从事水力学及河流动力学研究，（Tel讯KMA：孙西欢，教授，博士生导师.（Tel号：1007-9432(2007)05-0412-03管道水力输送中料筒起动流速的试验分析全炳欣，孙西欢（太原理工大学水利工程学院，山西太原030024）摘要：以筒装料管道

2、水力榆送中料筒起劫阶段为研究对史，研究料简起劫时承担输运任务的水流的平均流速与料简荷耸间的内在联系。给出了4种不同几何参数的料筒，在不同荷重下的起动流速.得出料筒的起动流速与荷重成正比变化；在荷重和筒长相同的情况下，较大立径的料筒史容易起动'在荷食和料筒直径相同的情况下，较长长度的料简史容易起动。以上姑果可供后续研充和工程设计时参考.关词：管道蛤送，料筒，起劫流速中图分类号:TV134文献标识码：A管道水力输送在水利工程和石油化工等部门中得到广泛的应用，在此基础上发展起来的物料管道输送，也有了长足的发展。物料管道输送主要有浆料输送、散料输送、型料输送和密封容器输送等几大类。就密封容器这

3、类管道输送的运行过程而言，可分为起动阶段、正常输运阶段和停止阶段。在不同阶段中，容器（本文称料简）的运动性状，对有压管道内承担输送任务流体的流场扰动.料筒与流体间的相互作用及能耗等诸多方面是各不相同的。笔者以料筒起动阶段为对象，研究了4种几何参数的料筒在起动时水流速与荷重、料筒几何形状等因素的内在联系，一方面为密封容器管道输送的其他阶段特性研究做好准备，另一方面也是为这类管道输送所涉及的工程问题的深入研究提供试验依据。1试验简介1.1试验系统与装置试验系统是由内径100mm,壁厚5mm的有机玻璃圆管通过法兰连接而成的试验管道，管道全长约33m。试验管道供水先由水泵将水由地下水库抽入输水钢管，通

4、过阀门调节流髭，将水输入集水箱，再由集水箱流入进水池，然后进入有机玻璃管道，再经出水池至地下水库形成一个回路。料筒起动流速试验段距管道入口4m。试验系统布置见图1所示。1.2料筒结构与参数料筒主要由三部分构成，见图2。1）简身。本试验采用圆柱形，全部用有机玻璃制作，其尺寸和容积大小，根据试验需要，同时也考虑输送物料的要求，在试验中制作了四种不同尺寸的料筒，见表1。表1料筒结构参数外径/mm筒长/mm扭转布/（）叶高/mm设计间Kt/mma6015021132b7015024132c6020024132d70200241322）支脚与滚珠。用于支摞料筒，以使料筒与输送管道管壁接触时产生滚动摩擦，

5、而在较大输送量时，料筒会悬浮于输送流体中。支脚滚珠与输送管道管壁间会有定间隙，极限情况时，料筒中心线与管道中心线重合，此时的间隙称设计间隙，四种料筒的设计间隙如表1所示。3）导叶。在料筒的外壁安装一定高度且连续扭转的导流条，使料筒沿管道轴向运动的同时，产生周向旋转，关于导流片的选择、参数确定、安装和制作等，可参见文献口-3。2料筒起动的受力分析2.1料筒的起动料筒在有压管道中输送物料时，就其输送过程来讲，可分成三个基本阶段，即起动阶段、正常输送阶段和停止阶段，本文研究的是起动阶段。静止料筒在管道内的起动决定于管道流的水动力，此动力包括管道水流作用于料筒的端面推力，作用于筒面剪切力，作用于导叶的

6、推力和剪切力。当管道水流总动力克服料筒支脚与管壁间的接触摩擦力及料筒表面与水流的粘性摩擦阻力时，静止料筒即开始运动。此过程中，在料筒将动而未动瞬间料筒的运动称之为料筒的起动。相应时刻水流的断面平均速度称之为料筒起动速度。】一水泵；2-期门；3】样测庆管；4-2#测压管；5-3#测压管；6-4#测质簪；7-5#测氏管；8-6#测压管；9-7样测压管;10-8#测压管；11-9#测压管；12-出水池溢流堰；13-稳水榻；14-三角堰；15-回水明渠；16-进水池溢流堰；17-回水地下暗沟1输送管道；2支脚与滚珠；3一导叶筒身图2料椅结构示意图2.2料简的受力分析料筒未开始运动之前，输送水流要经过料

7、筒，对料筒的端面和侧表面都有作用力。静止在管道内的料筒受力如下：a. 料筒和荷重自身受到的重力。b. 管底对料筒的支持力。c. 管底对料筒的静摩擦力。由于荷重，支脚上的滚珠与管壁接触，产生静摩擦力，其方向与前两力相反，属于阻力。d. 管流作用于料筒端面和导叶上的与来流方向平行的压差力，此压差力也即为水流作用于料筒端面上的推力，料筒端面上水流推力是动力。e. 管流作用于料筒圆柱面上和导叶上的切力。由于试验中所用到的流体是非理想流体，故有粘性存在，当水流流过料筒时，就会对静止料筒表面产生切应力，其作用方向与料筒表面相切。由于料筒尚未运动，其方向与端面推力一致，亦属于动力。f. 水流绕流料筒对料筒产

8、生的摩擦阻力和形状阻力。由于试验中料筒是圆柱形而且筒身安装有试验装置布管图导叶，极大地影响了管道中的水流，是非流线型物体，因此水流流过料筒时就会产生绕流。由边界层理论可知，水流对料筒产生摩擦阻力。当料筒静止在管道中时，随着流速的逐渐增大，料筒的尾部会产生漩涡。由于料筒尾部有漩涡发生以致作用在料筒表面的压强分布不对称，使水流方向有压差产生。这一压差就是漩涡阻力，也叫压强阻力或形状阻力。g.垂直于来流方向的升力。由于圆柱形的料筒和料筒上导叶的存在，环隙流作用在导叶的凹叶面和凸叶面产生了作用方向与料筒表面成环向的动水压强，使料筒产生了升力。综上所述，料筒受到的摩擦力、重力、支持力与荷重有关，而推力、

9、切力、摩擦阻力、形状阻力和升力则与料筒的受力与料筒形状和尺寸有密切关系，后文将深入论述。3不同结构参数下料筒的起动流速静止料筒在管道内的起动速度，不仅和管道平均流速紧密相关，而且和流体密度、料筒形状、荷重以及输送管道直径紧密相关。以下是上述四种方案a,b,c,d情况下，起动流速与荷重、料筒直径、料筒长度以及筒长和直径综合比较之间的关系。3.1起动流速与荷重的关系试验结果表明，料筒的起动流速是随料筒荷重增加而增大，见图3,曲线Q,b,C,d°因为料筒的荷重越大，其起动时需要的能量越大，由上文料筒的受力分析也可以看出，料筒载荷越重，水平方向上要克414太原理工大学学报第38卷服的摩擦力和

10、垂直方向上所要克服的重力也越大，而同样的料筒静止时受到的动水压力差、升力、形状阻力等是相等的，故料筒载荷越重，起动时所需要的起动能量也越大，即流量和水头差越大，也就是水流提供的动力也越大，因此起动流速也越大。又因为无论推力（动水压力差）还是切力，都是与流速成正比的，所以载荷增加，水流提供的动力增加，从而起动的水流速增加就是必然的了。图3料筒起动流速与荷及辑简几何尺寸的关系各料筒起动流速与荷重曲线的拟合曲线和相关系数如表2所示。衰2各料筒起动流速与荷曲线的拟合曲线和相关系故3.2起动流速与料筒直径的关系筒号拟合曲线相关系9HR2ay=0.102lx-0.3855R2=0.9977by=0.088

11、9工一0.4854R2=o.9983cy=0.1196工一0.6465R2=1d0685x0.4983R2=o.9972在保证荷重和料筒长度及附属构件不变的情况下，料筒直径增加，则起动流速随之减小，见图3曲线a与Z>,c与L图中曲线是在料筒长度都为150mm,曲线c,d是在料筒长度都为200mm时，当荷重相同时，料筒外径从60mm增加到70mm的情况。从表2中各相对应的拟合曲线斜率k（y=妇:+B）值可以看出，在同样荷重时.大直径料筒的起动流速小的多。与起动流速与荷重的关系类似，水流提供的推力和切力除与水流速度成正比外,亦与对料筒的作用面积成正比当直径增加时.料筒端面面积和侧面面积都要增

12、加，在同样荷重相同条件下，即料筒所受到的阻力相同，而水流提供的动力增加了，维持料筒受力平衡.无论是水平方向上还是垂直方向上需要的总动力是不变的。而总面积增加了，单位面积所需要的起动能量就会减小。因此料筒起动时所需要的起动能量，即流髭和水头差减小了.也即水流速度也就不需要那么大了。同时料筒的半径越大，在管道半径一定的情况下.管道的环形缝隙面积将会减小，环隙流速将会很大，料筒受到的水流推力也将很大，在水平方向上将很快起动。另一方面，荷重一定的条件下，半径越大，相同长度下的料筒体积就越大，则料筒与输送液体的相对密度减小，所受到的浮力就越大，在垂直方向上就不需要那么大的升力促使料筒起动。因此在保证载荷

13、和料筒长度及附属构件不变的情况下，料筒直径增加，则起动流速随之减小。3.3起动流速与料筒长度的关系在荷重和料筒直径不变条件下，增加料筒长度，则起动流速亦随之下降，见图3曲线。与C0与d。图中曲线a,c是在料筒直径都为60mm,曲线b,d是在料筒直径都为70mm时，当荷重相同时，料筒长度从150mm增至200mm的情况。从表2中各相对应的拟合曲线斜率k值可以看出，同样条件下，起动流速也全面下降，但降幅小于料筒直径增加时的情况。原因也是虽然直径不变，但长度的增加使侧面面积增加，增大了水流对料筒的切力，要使料筒从静止状态起动，在受到的阻力不变的情况下，需要的动力是一定的，因此起动时单位面积所需要的起

14、动能量就会减小，从而使流速下降。另一方面料筒长度的增加，使其上的导叶长度也随之增长,受到的升力增大了，从而摩擦力也随之减小。因此在其它条件不变的情况下，起动流速随着长度的增加而下降，只是同样条件下没有直径增加时降幅大。3.4起动流速在料筒直径和长度同时增加时的变化在荷重不变条件下，将料筒直径从60mm增至70mm,长度从150mm增至200mm,即图3曲线a与d,此时水流速同样下降，但降幅为最大。从表2中各相对应的拟合曲线斜率k值可以看出，此时直径和长度同时增加,使料筒端面积和侧面积同时增加，在同样荷重情况下，就比直径和长度单一增加时，促使起动流速有更大幅值的下降。4结语通过试验和分析，关于筒

15、装料管道输送的起动流速可得到如下结论：1）料筒的起动流速与荷重成正比变化，即起动流速随着荷重的增加而增加。2）在荷重和筒长相同的情况下，较大直径的料筒更容易起动。3）在荷重和料筒直径相同的情况下，较长长度的料筒更容易起动。4）试验中料筒由于独特的外形特征在管道输送中大大地减少了输送过程中对管壁的摩擦，使之起动更容易。（下转第419页）419曾玉涛：单要素模期推理模型在转流域水库引水调度中的运用研究参考文献：1 陈守煜.水利水文水资源与拜境模朔集分析M.大连，大连T.学院出版社.1987,2 王本德.水文中长期预报模棚数学方法M.大连：大连理工大学出版社,1993.3 冯德益，楼世博.模朝数学方

16、法与应用M.北京：地震出版社,1983.4 欧春平.智能算法在流域洪水预报系统建模中的应用及其软件集成体系M.大连：大连理工大学出版社,2001.ApplicationofSingleFactorFuzzyDeductionModelinWaterTransferDiversionDispatchCAOYu-taoCollegeofWaterResourceScienceandEngineeringofTUT»Taiyuan030024Abstract：ByreasonofirrationaldiversionwaterofYuqiaoreservoirinProjectWaterD

17、iversionfromLuanRivertoTianjin,theauthorbringsforwardconsideringforecastedfutureincomingwater,combiningwithhydrographicmid-longtermforecastedmethodandbuildingdeductionequationtoascertainwatersupplyofnextmonth.Singlefactorfuzzymethodisusedfor,andthecomputationtimeisamonth.Inthisway»itcangetcerta

18、inaccuracyforecastedincomingwatera-mount,andthuscanprovidereferrencefordispatcher.Keywords：watertransfer；mid-longtermforecasting；singlefactorfuzzymethod（编辑：贾丽红）（上接第414页）参考文献1 孙西欢.水平轴圆管螺旋流水力特性及固料悬浮机理试验研究D.西安：西安理工大学.2000.2 孙雪岚.局部起旋器的流场特性研究D.太原，太原理工大学,2003.3 张红尴.局部起旋式圆管爆旋流三维湍流的试验研究及数值模拟D.太原：太原理工大学，2004.4 吴持恭.水力学M.北京：高等教育出版社，1998.5 孔珑.工程流体力学M.北京：中国电力出版社，1998.AnalysisonIncipientVelocityofTube-containedRawMaterialinPipelineHydraulicTransportationQUANBing-xin,SUNXi-huanCollegeofWaterResourcesandEngineeringofTUT,Taiyuan030024,Ch:na）Abstract:Thearticlestudies