垂直管水力提升臨界淤堵流速的實(shí)驗(yàn).docx

1、第58卷第1期2006年2月有色金屬NonferrousMetalsVol.58,No.lFebruary2006垂直管水力提升臨界淤堵流速的實(shí)驗(yàn)姜龍，李鵬程，田龍，韓文亮-(清華大學(xué)水利水電工程系，北京100084)m提：通過(guò)試監(jiān)分析研宛褰直管水力提升魅界城堵流速，推導(dǎo)隼直曾水力提升臨界淤堵流速的半理論半豎險(xiǎn)公式。粒冏上運(yùn)動(dòng)主要受局國(guó)水流M速影響，當(dāng)管壁處的值速與此位置的位沉速基本一致時(shí)，室宜管處于臨界缺堵?tīng)顟B(tài)。垂宣管水力捏升臨界缺堵流速不僅大而增大，而且隨提升濃度增加而增大.所推公式反映了蛇響。界漱堵流速的主旻因家，能夠較好的預(yù)測(cè)臨界摟堵流速，對(duì)于管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行有較大實(shí)際章義.美詢：質(zhì)

2、體力學(xué);<6界教堵流速；馨直管；水力提升中圖分類(lèi)號(hào)：0359;TD857.2;TV134文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-0211(2006)01-008204垂直管水力提升，是深海采礦、水力采煤、封閉采.礦、河道清淤中經(jīng)常遇到問(wèn)題。對(duì)于固液兩相流管道輸送，過(guò)去局限于水平管偽均質(zhì)流輸送參數(shù)的研究，對(duì)'于垂直管輸送則研究較少。由于垂直管中，顆粒與流體間的滑移速度顯著，因此垂直管水力提升與水平管偽均質(zhì)流是性質(zhì)不同的固液兩相流。在設(shè)計(jì)垂宜管水力提升系統(tǒng)時(shí)，提升流速是首先要考慮的何題。在水平管道輸送過(guò)程中，為防止管道淤堵,保證輸送安全，管道輸送流速的設(shè)計(jì)選擇必須大于臨界不淤流速U&

3、;。一般輸送流速采用1.11.2倍臨界不淤流速(即U=1.11.2U&)。在垂直管水力提升管道中，如提升流速過(guò)小，則垂直管的堵管問(wèn)題會(huì)很?chē)?yán)重，如果提升流速過(guò)大，則能耗高，磨蝕也會(huì)嚴(yán)重。對(duì)于垂直管中水力提升臨界淤堵流速，金文斌等結(jié)合鉉結(jié)核提升，研究了最小提升速度。通過(guò)浮游速度試驗(yàn)，認(rèn)為候結(jié)核最小提升速度應(yīng)該是顆粒浮游速度的2倍，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律給出計(jì)算公式U=3.474X(d/D)。血6X(1-Cy)2-6109o顯而易見(jiàn)，這個(gè)無(wú)量綱的統(tǒng)計(jì)回歸的公式缺乏物理意義，并且沒(méi)有考慮諸如顆粒級(jí)配、流體流速分布及顆粒密度對(duì)提升速度的影響。申雙華等通過(guò)分析粒徑與管徑的比，素流強(qiáng)度及顆粒群濃度對(duì)垂直固液

4、兩相流中大顆粒的阻力系數(shù)及顆粒沉降末速度的影響，認(rèn)為在一定條件下使顆粒的沉降末速度急增，給收日期：2005-05-31基金項(xiàng)目：國(guó)家自依科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50379019)作者簡(jiǎn)介：要龍(1981-),男，濟(jì)南市人，碩士生，主妥從事水力學(xué)及河潦動(dòng)力學(xué)等方面的研究。出了鉉結(jié)核水力提升最小流速為顆粒沉降末速度的3倍。申策華等的研究，實(shí)際上只考慮了阻力系數(shù)對(duì)顆粒提升速度的影響，其分析顯然是不完備的。綜合來(lái)說(shuō)，前人的研究一沒(méi)有進(jìn)行臨界堵管流速試驗(yàn)，僅根據(jù)浮游流速推求公式，二是其影響因素分析待商榷，所得公式缺乏物理意義。因而有必要對(duì)提升速度進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究。1單顆粒在靜水中的沉速單顆粒在靜水中的沉降試

5、驗(yàn)，在高2m的沉降簡(jiǎn)中進(jìn)行。由于缺乏多金屬結(jié)核試驗(yàn)物料，試驗(yàn)選用密度比多金屬結(jié)核大的卵石及密度比多金屬結(jié)核小的煤塊。卵石密度為ps=2700kg/m3,形狀系數(shù)平均值為Cfs=0.656o煤塊的密度為pc=1460kg/m3,形狀系數(shù)平均值為Cfc=0.674o由于卵石表面光滑，煤塊表面粗糙，因此所選取的顆粒具有一定的代表性。試驗(yàn)所用物料粒徑在250mm。每個(gè)顆粒測(cè)3次,取平均值作為該顆粒的沉降速度。實(shí)測(cè)的顆粒沉速結(jié)果見(jiàn)圖1。由試驗(yàn)點(diǎn)利用指數(shù)型曲線回歸的顆粒沉速計(jì)算公式卵石為式(1),煤塊為式(2)所示，其中d為顆粒直徑。tos=4.49xJ0-5(1)cdC=2.58xJ0*5(2)利用斯托

6、克斯公式，顆粒的沉速可表示為=Cr4(pp-Po)gd/(3Cwo)JS。分別代入卵石和煤的密度，Cd取為0.4,再乘以顆粒形狀系數(shù)即得理論推導(dǎo)的沉速計(jì)算公式，卵石沉速為式(3),煤塊沉速為式(4)。Fig.1Settlingvelocitiesoftwokindsofparticles3s=Gv4(p$po)gd/(3CMo)F72=4.89xJ05(3)=Cpc4(pp-po)gd/(3CMo)】s=2.53XJ05(4)比較式(1)和式(3)及式(2)和式(4)可知，對(duì)粗顆粒來(lái)說(shuō),采用斯托克斯公式計(jì)算靜水中顆粒沉速,可以得到比較滿意的結(jié)果。圖1兩種顆粒沉降速度2單顆粒的浮游流速顆粒的浮游

7、流速是指顆粒在垂直向上的水流中，剛好能夠開(kāi)始懸浮的水流速度。在直徑為150mm有機(jī)玻璃垂直管道中觀察了卵石和煤塊的浮游流速。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)在管道底部放入顆粒，然后逐步加大流速，當(dāng)顆粒在管道中不停跳躍時(shí)，記錄此時(shí)的流速為該顆粒的浮游流速，結(jié)果如圖2所示。圖2兩種顆粒浮游速度Fig.2Floatingvelocitiesoftwokindsofparticles圖2表明，顆粒的浮游速度小于其靜水中的沉速。試驗(yàn)中管道的輸送條件處于水力光滑區(qū)，根據(jù)光滑區(qū)計(jì)算的管道流速分布見(jiàn)圖3。根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，決定顆粒運(yùn)動(dòng)的是顆粒周?chē)鞯牧魉佟Ｈ绻w粒處于管道中部流核處，水流流速大于顆粒沉速,顆粒向上運(yùn)動(dòng)。相反，若顆粒處

8、于靠管壁處，水流流速小于顆粒沉速,顆粒則會(huì)落下。由于試驗(yàn)所測(cè)定的浮游流速是當(dāng)時(shí)的管道斷面平均流速，所以顆粒浮游速度都小于顆粒在靜水中的沉速。計(jì)算得到管道中心的最大流速約為管道斷面平均沅速的1.4倍，比管壁處流速大的更多。因此可以認(rèn)為，對(duì)于單顆粒而言，當(dāng)顆粒周?chē)牧魉俅笥诨虻扔陬w粒靜水沉速時(shí)，顆粒就會(huì)開(kāi)始在水中懸浮。Fig.3Velocitydistributioninverticalpipe圖3管道中流速分布3垂直管水力提升臨界淤堵流速圖4提升試驗(yàn)設(shè)備示意Fig.4Schemeofliftingequipment在前述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了垂育管水力提升試驗(yàn)，以確定顆粒的臨界淤堵流速。試驗(yàn)是在清

9、華大學(xué)泥沙實(shí)驗(yàn)室垂直管上進(jìn)行的，管道垂直高度7.4m,采用沃曼泵作為動(dòng)力，75kW直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用可控硅無(wú)級(jí)變速，試驗(yàn)設(shè)備示意圖見(jiàn)圖4。試驗(yàn)顆粒采用煤顆粒，密度為1460kg/n?。試驗(yàn)中從一8484有色金屬第58卷個(gè)較大的初始流速開(kāi)始逐漸減少，直至試驗(yàn)系統(tǒng)堵塞，記錄當(dāng)時(shí)的提升流速即為顆粒的臨界淤堵流速。共進(jìn)行5組試驗(yàn)，前3組試驗(yàn)采用相同顆粒級(jí)配，改變顆粒濃度進(jìn)行試驗(yàn)，研究顆粒濃度對(duì)顆粒臨界淤堵流速的影響。后兩組試驗(yàn)保持相同的顆粒濃度，采用不同顆粒級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，研究顆粒級(jí)配對(duì)顆粒臨界淤堵流速的影響，各組試驗(yàn)的煤顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。實(shí)測(cè)的各組臨界淤堵流速結(jié)果見(jiàn)表2。表1各組顆粒級(jí)配組成Table1

10、Particlesizedistributionoftestsamples織次帔徑范闈出/mm所占比率/%平均牲經(jīng)孔/mm1233.3IJI21033.37.5102033.31233.3III2-1033.37.510-2033.31233.3IV2-1033.310.8203033.31233.3V2】033.316.530-4033.34垂直管水力提升臨界淤堵流速公式推導(dǎo)與驗(yàn)證根據(jù)理論分析，顆粒臨界淤堵流速與顆粒密度、最大顆粒粒徑、顆粒粒徑組成、顆粒濃度等因素都有關(guān)系?？紤]到水力提升過(guò)程中顆粒的受力與其在靜水中的等速沉降過(guò)程相似，則一個(gè)靜止顆粒在垂直輸送管道中剛要起動(dòng)時(shí)的受力平衡可以表達(dá)

11、為式。g(pp-pf)"3/6=蠕瑚2/4-CdVf2/2(5)式中盤(pán)-修正系數(shù);顆粒密度；PF-流體的密度；d-顆粒直徑，Cd-阻力系數(shù)；顆粒周?chē)鞯牧魉?。則可以求出當(dāng)顆粒剛好能夠在垂直管道中起動(dòng)時(shí)，顆粒周?chē)乃魉俣葹槭?6)。VF=k4(pP-po)gd/(3C”o)s(6)此時(shí)的流速與單顆粒的靜水沉速基本一致，由于顆粒位置是隨機(jī)的，如大顆粒處于管壁處，則管壁處的流速必須大于等于式(6)。因此，式(6)必須乘于一個(gè)系數(shù)才等于管道平均流速，另外式(6)不能反映實(shí)際提升過(guò)程中顆粒形狀、水流紊動(dòng)等因素對(duì)管道臨界淤堵流速的影響。由于管道中存在顆粒的相互作用，臨界淤堵流速不僅受所輸送的

12、最大顆粒粒徑的控制，還受到顆粒級(jí)配的影響。為了反映以上因素對(duì)臨界淤堵流速的影響，將式(6)改為式(7)的形式表示的管道臨界淤堵流速。VD=KCFIL4g(pP-po)以林4)°；/(33。)(7)式中：K-流速系數(shù)；Cf-顆粒形狀系數(shù)；-提升顆粒的最大粒徑;<-提升顆粒的平均粒徑。在水力提升試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)的是固液兩相流的平均流速。參考濃度對(duì)沉速的影響，式(7)中的流速因是水的流速，應(yīng)比平均流速偏小(1-Cv)倍。當(dāng)顆粒在水流作用下處于臨界狀態(tài)時(shí)，顆粒滯后作用比較顯著，管道內(nèi)的濃度增大。因此，臨界淤堵流速比式(7)所表達(dá)流速的(1-Cv)倍更小。綜合以上分析，垂直管顆粒水力提升臨界

13、淤堵流速的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式可以寫(xiě)成式(8)。.VD=KCF4g(pP-poWi)"/(3Co)I，/2(1-Cv)"(8)式中n為濃度影響指數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料得到K為2.3,為-2.5。采用以上公式計(jì)算所得臨界淤堵流速結(jié)果見(jiàn)表2,計(jì)算與實(shí)測(cè)基本一致。表2各組試驗(yàn)臨界淤堵流速堵果與計(jì)算結(jié)果比較Table2Comparisonofmeasuredandsimulatedresultsforcriticalvelocity組次顆粒質(zhì)量濃度C*/%顆粒體積濃度Cv/%實(shí)測(cè)臨界流速Vci/(m-»1)計(jì)算臨界流速Va/(m-s'*)153.50.70.73II107.

14、10.810.81Ill153.50.90.88IV53.50.70.69V53.51.21.06某煤炭學(xué)研究院，曾在撫順煤礦水采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過(guò)喂煤機(jī)水力提升試驗(yàn)。試驗(yàn)中管道最大直徑300mm,煤密度為1400kg/m最大顆粒粒徑120mm,煤水比1：6.52相當(dāng)于質(zhì)量濃度13.2%,試驗(yàn)中未實(shí)測(cè)顆粒組成，試驗(yàn)者估計(jì)平均粒徑40mm左右，實(shí)測(cè)的淤堵流速2m/s,采用公式(8)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合得較好。表3某煤炭學(xué)研究院試驗(yàn)數(shù)據(jù)另外，還利用水力提升多金屬結(jié)核臨界淤堵流Table3DatafromsomeCoalResearchInstitute顆粒質(zhì)濃度cw/%顆粒體枳濃度cv/

15、%實(shí)測(cè)臨界流速Vc/(ms')計(jì)算臨界流速V"mL)13.21022.1速試驗(yàn)結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行了初步驗(yàn)證。多金屬結(jié)核密度2000kg/m最大顆粒粒徑約為50mm,提升質(zhì)量濃度Cw=10%,實(shí)測(cè)臨界淤堵流速2m/s左右。由于試驗(yàn)中缺乏平均粒徑的實(shí)測(cè)資料，設(shè)平均粒徑為20mm,計(jì)算得臨界淤堵流速為l.87m/s,如設(shè)平均粒徑為25mm,則計(jì)算臨界淤堵流速為1.98m/s。計(jì)算結(jié)果與深海采礦水力提升試驗(yàn)基本一致。5結(jié)論顆粒向上運(yùn)動(dòng)主要受顆粒周?chē)髁魉儆绊?，參考文獻(xiàn)：當(dāng)管壁處的流速與此位置的顆粒沉速基本一致時(shí)，垂直管處于臨界淤堵?tīng)顟B(tài)。垂直管水力提升臨界淤堵流速不僅隨粒徑增大而增大，而

16、且隨提升濃度增加而增大。所推導(dǎo)的垂直管水力提升臨界淤堵流速的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，跟已有的研究成果相比，反映了影響臨界淤堵流速的主要因素，能夠較好的預(yù)測(cè)臨界淤堵流速，對(duì)于管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行有較大實(shí)際意義。因此試驗(yàn)組次不多，所的結(jié)論還有待更多試驗(yàn)資料驗(yàn)證。(11金文斌，黃小平，高文踏大顆粒物料在垂直管內(nèi)最小輸送速度的試驗(yàn)研究【J.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，1997,(2):17-20.2 申微華，毛紀(jì)陵，凌勝.垂直管道固液兩相流的最小提升水流速度J.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,(6)：519-522.3 李新.深海采礦水力提升系統(tǒng)粗顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究D.北京：清華大學(xué)，2003：43-48.4 費(fèi)祥俊.漿體

17、與顆粒物料輸送水力學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，1994：73-79.5蝕寧.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)M.北京：科學(xué)出版社，1983：60-70.6 夏建新，倪晉仁，黃家楨.粗顆粒物料在垂直管流中的滯留效應(yīng)JJ.礦冶工程，2002,(3)：37-40.7 江寧省煤炭工業(yè)管理局.FS-25型飼!式喂煤機(jī)U型水力提升K.唐山：水力采煤研究所，1966：5-10.ExperimentonCriticalVelocityinVerticalPipesforHydraulicLiftingJIANGLong,LIPeng-chtng,TIANLong,HANWen-liang(DepartmentofHydrauli

18、candHydropowerEnginefring,TsinhuaUniversity,Beijing100084,China)AbstractThecriticalliftingsiltvelocityforverticalhydraulicliftingisinvestigatedbyexperiments,andthepartlytheoreticalandpartlyexperiencedformulaonthecriiicalliftingsiltvelocitycalculationforverticalhydraulicliftingisderived.Theupwardmovementoftheparticlesintheverticalhydraulicliftingsyst