水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間比例與平均流速之間關系的研究.docx

1、2005年第3期第化木5袱右PipelineTechniqueandEquipment2005No.3水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間比例與平均流速之間關系的研究李偉I,許振良2（1.中煤國際工程集團沈陽設計研究院，遼寧沈陽110015;2.遼寧工程技術大學資源與環(huán)境工程學院，遼寧阜新123000）摘要:根據(jù)前人的理論和研究成果，通過分析水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)組成的幾何關系，對于水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)的之間比例與平均流速之間的關系進行了深入研究，得出推移質(zhì)、懸移質(zhì)與平均流速之間的關系式，確定了管道輸送中的重要系數(shù)對以后研究管道內(nèi)流速分布以及確定臨界速度奠定了基礎。關鍵詞:水平管道;推移質(zhì);懸移

2、質(zhì);固液兩相流中圖分類號:TD807文獻標識碼:A文章編號：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。固液兩相流研究在工程中最典型的應用是固體物料的管道水力輸送。固體物料的漿體管道輸送是-種新興的現(xiàn)代化運輸方式，相對于其他運輸方式,管道水力輸送技術起步較晚，但以其具有裝置簡單,生產(chǎn)與運行費用低，輸送能力大，充填效率高，便于實現(xiàn)管道工藝連續(xù)化、機械化和自動化，經(jīng)濟效益好，對環(huán)境污染小等顯著優(yōu)點，目前已被廣泛應用于煤炭、冶金、化工、水利和環(huán)保等諸多工業(yè)領域。流態(tài)介于推移與完全懸移之間流域推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間比例與平均流速的關系則決定了k4的取值（K4為處于滑、跳移運動狀態(tài)的固體顆粒即推移質(zhì)占固體顆?？傎|(zhì)量的比

6、例系數(shù)）。匕作為水平管道輸送中的一個很重要的系數(shù)，它不但影響管道中固體顆粒與管壁之間的受力，而且還影響了管道內(nèi)的水力坡度以及速度分布，所以的確定對于研究水平管道輸送具有重要意義。文中從水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)組成的幾何關系出發(fā),通過推移質(zhì)極限厚度與兩相流體的流動特性、顆粒特性等因素建立的數(shù)學模型，對推移質(zhì)與懸移質(zhì)的之間比例與平均流速之間進行2推移質(zhì)與懸移質(zhì)的劃分在水平管道中，當水流拖曳力超過起動拖曳力以后，固體顆粒進入運動狀態(tài)。起動形式因水流強度大小而不同，從固體顆粒運動的支持力及運動形式角度考慮，把固體顆粒劃分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)。推移質(zhì)與懸移質(zhì)運動狀態(tài)隨漿體平均速度的變化如圖1所示。2.1推移

7、質(zhì)運動當水流速度超過起動流速以后，顆粒開始離開床面向前滑動或滾動，無論是滑動或滾動，它們在運動中經(jīng)常與床面保持接觸.由于顆粒的相互作用及床面的高低不同，在一定流速下顆粒又以跳躍形式向前推進。跳躍的高度、距離及跳躍一次后停留在床面的時間，因水流強度的不同而改變，所以這種運動的顆粒又稱躍移質(zhì)。作為一種運動模式，躍移可以將滑動或滾動都包括在內(nèi)，因為滑動、滾動均可視為躍高為零的一種躍移運動。以這種形式運動著的顆粒統(tǒng)稱為推移質(zhì)，如圖1（a）所示。推移運動在床面附近發(fā)生，以其運動的間歇性（就某一特定顆粒來說）及不斷與床面顆粒交換為特征。收日期,203-11-18收修改稿日期：2004-12-28推移質(zhì)的平

8、均運動速度遠低于水流平均速度。第3期李偉等:水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間比例與平均流速之間關系的研究5固體顆粒從床面躍起、加速，以及與床面的摩擦、撞擊,直接消耗一部分水流勢能。這部分消耗占水流總勢能的比例，將隨推移運動的強度及水流周界阻力等因素而定。(a)固體K檢全部呈推暮堀動狀態(tài)(b)固體煩杖部分里推尊運動狀赤，部分呈是暮運動狀戀(c)固體煩W部分呈推谷毋動狀衰.部分呈是暮運動狀衰(d)固體頊檢全部£«9運動狀態(tài)ffll固體顆Ct在水平管道中的運動狀態(tài)2.2懸移質(zhì)運動當水流速度繼續(xù)增加，紊動進一步加強，水流中充滿著大小不同的旋渦，這時，固體顆粒在自床面躍起的過程中，可能遇

9、到向上的旋渦，并被帶入距床面更高的流區(qū)中。一般來說，這要求旋渦向上分速必須超過顆粒的沉速,而且旋渦的尺寸也一定要比固體顆粒大很多。被水流帶到遠離床面而運動著的顆粒稱為懸移質(zhì)。如圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)所示。顆粒的懸移運動發(fā)生在整個水深范圍內(nèi)，但其垂直的固體濃度往往有一定的分布梯度。靠近床面的懸移質(zhì)不斷與推移質(zhì)發(fā)生交換。懸移質(zhì)的運動速度與水流速度基本一致，因而消耗能景很少，而且，是從紊流的動能中取得這部分能段。既然懸移運動從紊動動能中取得能量，而紊動動能是從水流勢能轉(zhuǎn)化而來的，因此懸移運動雖然不直接消耗水流勢能，其數(shù)量亦應占有水流勢能的一部分，與推移運動能量消耗相比，懸移運動的能景消耗

10、要小得多。懸移運動的支持力是紊動旋渦。這使懸移顆粒較均勻地分布在液流中，因而增加了懸液的容重。所以，與推移質(zhì)通過固體傳遞壓力到底床不同，懸移質(zhì)是通過懸液容重的增加,增加作用到底床的靜壓力。3推移質(zhì)、懸移質(zhì)與平均流速關系模型3.1推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間幾何比例關系圖2為水平管道中推移質(zhì)、懸移質(zhì)比例圖。圖2水平管道中推移質(zhì)、懸移質(zhì)比例圖在圖2中，處于管道底部陰影部分是推移質(zhì)，陰影部分以上為懸移質(zhì)，通過幾何比例關系，可以求出推移質(zhì)的面積S為5(=-號sinSeos8(1)推移層厚度如為.D(1-cos。)林=當管內(nèi)流體速度很小或者為零的時候，此時管內(nèi)固體顆粒處于淤積狀態(tài),所有固體顆粒都沉積于管道底部，形

11、成固定床，設此時固定床對應的管道中心角為四,所以固定床面積S為心段固定床的體積，即此段管道內(nèi)全部固體顆粒的總體積V為V=S匕Sym式中5加為堆積密度，粗沙的堆積密度一般為0.590.61,中沙為0.520.59,細沙為0.510.56。如果沙土中夾雜有少最黏土，堆積密度可以減少到0.46-0.50o隨著管道內(nèi)流速的增加，固定床消失，一部分固體顆粒以推移質(zhì)的形式運動，另部分則成為懸移質(zhì)。此時推移質(zhì)的體積*為Vb=St匕Sy.式中Sy.為推移質(zhì)的體積比固體濃度，近似于松散堆積的濃度。懸移質(zhì)的體積*為vv-vb從而處于滑、跳移運動狀態(tài)的固體顆粒占固體顆粒總質(zhì)量的比例系數(shù)匕為_礦bPs_SLSy.p.

12、_(。-sin-cos8)4一億一SALSymp.一Sym(。0-Sin0()860Q)(3)式中P，為固體顆粒密度。3.2推移質(zhì)層厚度的確定作為懸移層和推移層交界面的高程，推移質(zhì)層厚度如是管道輸送的一個重要參數(shù)。夏震寰、戴繼嵐認為滑、跳移顆粒層(即推移質(zhì)層)的極限厚度與兩相流體的流動特性、顆粒特性和濃度密切相關。計算推Jun.2005PipelineTechniqueandEquipment凡0.425>號111晉羅"0.393華沽N>1.0N<1.0移質(zhì)層厚度的經(jīng)驗公式為=0.425-yinNN>1.0如393-加'N<1.0式中：/V為相對

13、雷諾數(shù)；D為管道直徑。相對雷諾數(shù)的計算公式為能意式中：c為管道出口平均體積分數(shù)；Re為兩相流動雷諾數(shù)；Rep為固體顆粒雷諾數(shù)。兩相流動雷諾數(shù)和固體顆粒雷諾數(shù)的表達式分別為&=世邊(6)Rep=(7)式中：Pm為兩相體密度；編為兩相體平均流速"m為兩相體熟度；叭為固體顆粒的自由沉降速度；九為固體顆粒的有效直徑uo為清水的運動黏滯系數(shù)。將式(5)、式(6)、式(7)分別帶入式(4)中，得到推移質(zhì)厚度表達式：3.3系數(shù)A值的確定聯(lián)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計算結(jié)果分析使用帖川恭三、Dumnd等專家的試驗條件及試料參數(shù)對系數(shù)匕進行計算，其試驗數(shù)據(jù)見表lo表1流動試驗條件及有關參數(shù)一覽表m粒徑:4顆粒密度P，面積指數(shù)k,試料管內(nèi)經(jīng)體積平均速度%<(cws*1&計算值種類I)/cm分故C/%/cm1帖川恭三0.3061.161.0樹脂球411.6940.432帖川恭三0.3061.161.0樹脂球4)1.01590.033帖川恭三0.3061.161.0樹脂球4

15、3.520204帖川恭三0.3061.161.0樹脂球414.0970.445Durand0.0182.621.5細沙158.230506Durand0.0182.621.5細沙157.040907Newitt0.1552.671.5礫石2.542.0527308Newitt0.1552.671.5礫石2.543.772590實驗序號為3,5,6,7,8的K4值為0,原因為流動試驗的平均流速大于(浮游界限速度)，管道中固體顆粒全部處于懸浮的運動狀態(tài)；而試驗序號為1,4的&值介于01之間，此時流動試驗的平均流速處于以和。d(堆積速度)之間，而管道中的固體顆粒部分處于懸移，部分處于滑、跳移

16、的運動狀態(tài)；試驗序號為2的&接近于0,因為此時的試驗的平均速度很接近于映,固體顆粒的運動接近于懸移和推移兩種運動狀態(tài)間的臨界點c從計算結(jié)果和分析可以看到.所得的K與實際情況和理論分析相符合。5結(jié)束語從水平管道中推移質(zhì)與懸移質(zhì)組成的兒何關系出發(fā)，通過推移質(zhì)極限厚度與兩相流體的流動特性、顆粒特性等因素建立模型，推導出推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間比例與平均流速之間的關系，并得出重要系數(shù)K4的表達式，對于以后更加深入的進行體積分數(shù)分布、速度分布以及水力坡度的研究奠定了基礎。尤其對于研究固體顆粒部分處于懸移、部分發(fā)處于滑跳移時的非均質(zhì)流更具有重要的影響。管道中固體顆粒在水流中的運動機理和過程十分復雜，受湍流運動機理、固液兩相流相互作用認識的限制，對固體顆粒的運動的許多方面的研究仍處于在探索之中，對于研