（水力学及河流动力学专业论文）管道车运移水力特性的初步试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 管道车运移水力特性的初步试验研究 摘要 与传统管道水力输送方式相比，筒装料的管道水力输送方式是一种 洁净环保高效的水力输送方式，它具有纯料输送、无脱水工序、占地少 和无污染、能耗小、固体和液体物料均可输送、用水少等优点，是一种 有利于我国国民经济可持续发展的新型的管道水力输送方式。 简装料的管道水力输送方式，可将固态、液态或气态物料密闭于料 筒( 管道车) 中，借助缝隙螺旋流的能量实现运移并且可以控制输送量。 筒装料管道水力输送的流场是极其复杂的三维动边界流场，由于试验手 段限制，本文进行了初步的试验研究。在相同流量情况下，环状缝隙宽 度的不同，必然导致流速大小的不同和流速分布的不同，同时引起压力 分布和能耗的不同，以及管道车运动速度的不同。本文着重就缝隙宽度 对流场特性的影响进行了研究。 通过试验和分析，我们得出管道车运移时速度、能耗的一些基本规 律： 1 未放入管道车时，流量越大，阻力损失越大。放入管道车后的流 量能耗损失关系与放车前相一致；但是流量单位能耗的关系却不同， 单位能耗不再是单纯的随流量增加，而是有个变化的过程，先变小后变 大。正常输送中的平均能耗存在谷值，其可通过系列优化试验找到。通 过适当提高流量，以提高车的速度使其在经济流速范围之内而能耗却较 小，这样就可以提高输送系统的输送效率。 ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 在上游水库的水位一定时，只有合适的缝隙宽度才能保证较低的 能耗，缝隙宽度过大或过小都将增大能耗。 3 增耗比反映筒装料管道水力输送系统的能耗增加的幅度最大不超 过2 5 ，说明用管道车输送物料在能耗方面确实是令人满人的。增耗比 并非随着流量( 或管道水流速度) 的增加而增加，这也揭示了影响能耗 的因素很多，但是可以通过优化试验找出在较大的流量( 或管道水流速 度) 情况下使增耗比却比较小的管道车参数，从而提高输送效率。 4 同一缝隙宽度条件下，上游库水位越高( 相应的流量一般也越大) ， 管道车的轴向运动速度越大，这样就可以通过提高上游库水位来提高管 道车的轴向运动速度并将其控制在经济流速范围之内，从而有利于提高 管道输送系统的输送效率。 5 将正交设计的基本理论和方法应用于管道车结构参数优化试验， 通过极差分析和方差分析的方法对管道车运行参数进行了优化从而选出 管道车的最优参数。优化结果可以为简装料管道水力输送的后续研究提 供依据。 本文为筒装料管道水力输送的进一步的技术研究提供依据，对于丰 富和发展管道水力输送理论( 特别是容器式管道水力输送理论) 有着非 常重要的意义。 关键词：筒装料，管道水力输送，能耗 太原理工大学硕士研究生学位论文 p i l o te x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h e h y d r a u l l cc h a r a c t e r i s t l c s0 ft r m t r a n s p o r l j a t i o ni nh y d r a u l l cp i p e a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a n d i t i o n a lp i p e l i n et r a n s p o r t ，t h et r a n s p o r t a t i o no f t u b e - c o n t a i n e dr a wm a t e r i a l ( t r m f o rs h o r t ) i nh y d r a u l i cp i p ei sac l e a n a n dh i g he f f i c i e n tm e t h o d ，w h i c hc a nt r a n s p o r tb o t hs o l i dm a t e r i a la n dl i q u i d m a t e r i a la n dw h i c hh a st h em e r i t so f t r a n s p o r t i n gp u r em a t e r i a l t a k i n gl e s s r o o m ，n op o l l u t i o n ，n od e h y d r a t i n gp r o c e d u r ew i t hl e s se n e r g ya n dl e s sw a t e r s oi ti san e wd e v e l o p e dm e t h o do f p i p e d h y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o nw h i c h i s g o o d t ot h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y w i t ht h eh e l po f t h es l i ts p i r a lf l o w , t h et r me n c l o s e di nt h et u b ec a r c a r lb ew e l lc o n t r o l l e da n dt r a n s p o r t e d t h ef l o wf i e l do ftr m t r a n s p o r t a t i o n i nh y d r a u l i cp i p ei sar a t h e rc o m p l i c a t e3d i m e n s i o n a lf i e l dw i t had y n a m i c b o u n d a r y t h i sp a p e rm a d e ap i l o ts t u d yb e c a u s eo f r e s t r i c t e d i n s t r u m e n t s u n d e rt h es a m ef l o w , d i f f e r e n ts l o tw i d t h sw o u l dl e a dt od i f f e r e n t v e l o c i t ya n d i t sd i s t r i b u t i o na sw e l la sd i f f e r e n td i s t r i b u t i o no f p r e s s u r ea n d e n e r g yc o n s u m p t i o n ；a l s os l o tw i d t h sm i g h ta f f e c tt h ev e l o c i t yo f t h et u b e c a r t h ep a p e rm a i n l ye x p l o r e r st h ee f f e c to fc i r c u l a rs l o tw i d t h so nt h e 太原理工大学硕士研究生学位论文 h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f t r mt r a n s p o r t a t i o ni np i p e t h er e g u l a t i o n so f v e l o c i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o nw h e nt h et u b ec a ri s m o v i n ga r ea r r i v e db ye x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s 1 w h e nt h et u b ec a ri sn o ti nt h e p i p e ，t h eb i g g e rt h ef l o wi s ，t h e b i g g e rt h er e s i s t a n c el o s si s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o wa n d e n e r g yl o s sw h e nt h et u b ec a ri sn o ti nt h ep i p ei st h es a m ew i t ht h a t w h e nt h et u b ec a ri sn o ti nt h ep i p e b u tt h eu n i te n e r g yl o s si s d i f f e r e n t t h e r ei sav a r y i n gp r o c e s si nt h eu n i te n e r g yl o s sa n dt h e u n i te n e r g yl o s sg e t ss m a l l e ra tf i r s ta n dt h e ng e t sg r e a t e rw h e nt h e f l o wi sg e t t i n gg r e a t e r t h u s ，t h e r es h o u l db ear e a s o n a b l ef l o wt h a t c a nc a u s eam i n u s e n e r g yl o s s t h e r ei sam i n u se n e r g yl o s sw h e n t h et u b ec a ri sr u n n i n ga n di tc a nb ef o u n db yt h em e a n so f as e r i a lo f o p t i m i z i n ge x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h et r a n s p o r te f f i c i e n c yc a n b e r a i s e db yap r o p e re n h a n c e m e n to ff l o ww h i c hc a l ls p e e du pt h ec u b e c a ri nt h er a n g eo fe c o n o m i c a lv e l o c i t ya n dk e e pt h ee n e r g yl o s sa ta r e l a t i v e l yl o w e rl e v e l 2 w h e nt h eu p p e rw a t e rl e v e li sa tac e r t a i nl e v e l ；t h a ti s ，o n l ya m i d d l es l o tw i t hc a nm a k et h ee n e r g yl o s sm i n u sa n di tw o u l dc a u s e ag r e a t e rl o s sw h e t h e ri ti sb i g g e ro rs m a l l e r 3 t h er a t i oo f e n e r g yc o n s u m p t i o n r e a v e a l st h ei n c r e a s i n ga m p l i t u d e o f t h ee n e r g yc o m s u m p t i o no f t h et r m t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi n h y d r a u l i cp i p e ，w h i c hi sb yn om e a n sb e y o n d2 5 a n d w h i c hi s 太原理工大学硕士研究生学位论文 s a t i s f y i n g t h er a t i od o e s n ti n c r e a s ew i t l lt h ef l o w , t h a t st h ef l o w v e l o c i t yi nt h ep i p e ，w h i c hs h o w st h a tt h e r ea r em a n yf a c t o r st h a t c a na f f e c tt h ee n e n g yc o m s u m p t i o na n dt h eb e s tp a r a m e t e r so f t h e t u b ec a rw i t hal o w e rr i t i ob ym e a n so f o p t i m u me x p e r i m e n tu n d e ra r e l a t i v e l yb i g g e rf l o wt oi m p r o v et h et r a n s p o r t i n ge f f i c i e n c y 4 u n d e rt h es a m es l o tw i d t h ，t h eh i g h e rt h eu p p e rw a t e rl e v e li s ，t h e b i g g e rt h el o n g i t u d i n a lv e l o c i t yo f t h et u b ec a ri s ；t h u st h et r a n s p o r t e f f i c i e n c yc a nb er a i s e db yap r o p e re n h a n c e m e n to ff l o ww h i c hc a n s p e e du pt h ec u b ec a ri nt h er a n g eo fe c o n o m i c a lv e l o c i t ya n dk e e p t h ee n e r g yl o s sa tar e l a t i v e l yl o w e rl e v e l 5 o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o di su s e dt od e s i g nt h ee x p e r i m e n t a n a l y s i so f r a n g ea n dv a r i a n c ei su s e dt of i n do u tt h eo p t i m u m p a r a m e t e r s t h er e s u l tc a nb eu s e df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h e p i p e l i n eh y d r a u l i ct r a n s p o r to f t r m t h i sp a p e rc a l lb eu s e df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h ep i p e l i n eh y d r a u l i c t r a n s p o r to f t r mw h i c hm i g h te n r i c ht h et h e o r i e so f h y d r a u l i ct r a n s p o r ti n p i p e ，c a p s u l eh y d r a u l i ct r a n s p o r ti np a r t i c u l a r k e y w o r d s ：t r m ，h y d r a u l i ct r a n s p o r t a t i o ni np i p e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n - v - 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄邀 日期：2 堙! ! 卑一一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：查鳖e i l t 月：童丝丛：型 导师签名：d 十岛火日期： 2 乒生 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。1 课题背景与研究意义 第一章绪论 本次选题是国家自然科学基金资助项目筒装料管道水力输送的水力特性研究 ( 5 0 5 7 9 0 4 4 ) 的子课题。课题所涉及的技术问题和范围比较广，如包括了冶金、煤 炭、建材、化工、电力、水利、港湾、湖泊、造田、环保和城市垃圾等方面的输送 及疏浚工程技术，因此，课题的研究有着广泛的应用前景。 众所周知，几千年来泥沙一直是中国河流治理和灾害防治中的难题。泥沙淤积 带来一系列的问剧1 - 9 1 ，如防洪安全、水库淤积、灌溉渠系淤积、港湾河口淤积，严 重威胁人民生命财产安全和经济利益，必须进行清淤工作将其输送出去。在排淤措 施中，机械清淤措施具有机动性好，不受来水季节、地域限制等优点，且其中的虹 吸法、气力泵清淤及旋流吸泥法等排出浑水含沙量可达2 0 0 曲o o k g ，m 3 ，因而具有耗 水量低的优点。因此，发展机械清淤可以对坝区、建筑物前、航道及其它局部淤积 区域实施即时清淤。输沙管道是机械清淤的重要配套设备，若要发挥机械清淤的效 力，则必须提高管道的输沙效率。 传统的管道输沙往往采用直流式，其中悬移质的悬浮原理是水流的紊动扩散。 由于断面输沙率与平均流速的2 4 次方成正比，为了提高管道的输沙率，并防止泥 沙在管内淤积往往采用高速输送，以提高水流的紊动动能，这样大大增加了沿程水 头损失，能耗增加：但若采用低流速输送，虽节省能量，却会造成管内淤积，降低 输送率。总之，无论采用高流速或低流速，都无法克服高浓度与低能耗之间的矛盾， 最终会导致低效率。 利用管道输送各类液体或气体是很广泛的，而利用管道输送固体物质在我国起 步较晚。其中管道水力输送是一种以液体( 通常为水) 为载体通过封闭管道输送固体物 料的输送方式，日益受到人们的重视，目前已广泛应用于各工业领域，如冶金部门 用于输送精矿和尾矿，煤炭部门用于输送煤浆，水利部门用于疏浚河道和水库清淤， 环保部门用于输送工业垃圾，轻工部门用于输送纸浆等。目前已向远距离、大管径、 高浓度和大运量方向发展。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 管道水力输送有很大的优点蚺1 2 1 ，但是，传统的管道水力输送面临的一大缺点 是用水量大，要考虑当地的水资源情况，物料脱水后的水，如要排放必须达环保要 求，因而增加了输送成本；此外，管道输送系统对运送量的变化适应性较差1 1 2 1 那。 为此，我们提出了筒装料的管道水力输送方式，它可将固态、液态或气态物料密闭 于料筒中，借助缝隙螺旋流的能量实现运移并且输送量可以控制。与传统管道水力 输送方式相比，是一种洁净环保高效的水力输送方式，它具有纯料输送、没有脱水 工序而占地少和无污染、能耗小、固体和液体物料均可输送、用水少等优点，是一 种有利于我国国民经济可持续发展的新型的管道水力输送方式。 简装料管道水力输送是一种新型的管道水力输送方式，其需要研究的应用基础 问题很多，其中管道车运移中的水力特性研究尤为重要。在相同流量情况下，环状 缝隙宽度的不同，必然导致流速大小的不同和流速分布的不同，同时引起压力分布 和能耗的不同，以及管道车运动速度的不同。因此，本文以此为题开展试验研究。 研究环状缝隙宽度对管道车运移水力特性影响，将丰富内部动边界环状缝隙螺 旋流理论，促进对管道水力输送规律的客观认识，为解决简装料管道水力输送的进 一步的技术问题提供依据，对于丰富和发展管道水力输送理论( 特别是容器式管道 水力输送理论) 有着重大学术价值和理论意义。只要搞清简装料管道水力输送的规 律并将其应用于国民经济生产中去，必将产生巨大的经济价值。 1 2 管道水力输送的发展与应用 1 2 1 管道( 物流) 输送的概念与分类 管道物料输送是用有压气体或液体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或用 容器车等输送成型物品的目的。它有别于常见的输水、输油和输气( 水油气是连续 介质) 等单相流管道输送，而属于多相流( 气固、液固两相流或气固液三相流) 输送技 术。图1 1 是流体管道物料输送所属的各种类型及其应用领域。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 输送水、石油，天然气等管道 稀流相悬浮输送：谷物卸船及化工、轻工、粮食加工过程中的输送 流态化输送：各种粉料的输送 密相栓输送：石化、化工、机械、机械、建材生产中的物料输送 稀流相悬浮输送：谷物卸船及化工、轻工、粮食加工过程中的输送 流态化输送：各种粉料的输送 密相栓输送：石化、化工、机械、机械、建材生产中的物料输送 气力式：垃圾，废弃物处理再生输送系统及建材工业中的输送 水力式：煤棒输送 次悬浮式：企业内部 应用于原子能电站、工业锅炉技术生产中 应用于煤炭气化技术生产中 海洋开发技术 图1 - 1 流体管道物料输送所属的各种类型及其应用领域 f i 9 1 1c a t e g o r i e sa n da p p l i c a t i o nd o m a i no ff l u i dt m n s p o r ti np i p e 本文主要简要介绍管道水力输送发展。单相流和气力式管道输送可见参考文献 【1 2 ，1 4 ，1 5 】等。 1 2 2 管道水力输送的概念及发展、应用 1 2 2 1 管道水力输送的概念 管道水力输送是一种以水为载体通过封闭管道输送固体物料的输送方式，其分 类见下【12 1 。 一匿匦亘巫圃 当固相物料是极细的颗粒，且管内浓度很小时，颗粒呈均匀悬浮 分布。作为牛顿流体可用一般的单相流水力学定律来处理。 当固相物料足极细的颗拉，但管内浓度高，质量密度接近1 0 0 0 k e ， m 3 ，这时应以非牛顿流体( 宾汉体) 来处理。 固相物料颗粒直径为q m m ，由于颗粒在管底有沉降和滑动，在这时 压损是极小的。 固相物料颗粒直径 3 r a m ，这时管壁摩擦大，压损与颗拉直径无关， 而大致与管内流体的浓度呈比例地增加。 容器流( 柱栓状)等间隔地将容器注入管道，用液流的压力来推送。 i、。j 图1 2 管道水力输送的分类 f i 9 1 2c a t e g o r i e so ff l u i dt r a n s p o r ti np i p e 注：容器式管道输送技术的工作原理是将被运送的对象装载在特制的容器内， 用空气、水或电磁力作为推动力将容器( 也可以是多个容器组成的容器列车) 运送到目 的地。 3 一一一一一匿 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 2 管道水力输送的发展与应用 管道水力输送始于1 9 世纪中叶，至今已有一百多年的历史。 初始阶段，只有美国等个别国家采用小管径、短距离的管道进行水力输送固体 物料的研究，输送的浆体浓度比较低，年输送量也比较小，尚属于小规模的试验探 索时期。到1 9 世纪后期，随着第一批配有离心泵的吸泥船的出现，管道输送技术开 始在疏浚工程中得到应用。这些管道输送工程规模虽不大，但通过工业性运行，获 得了较好的效果，积累了管道输送固体物料的实际运行经验。特别是1 9 0 6 年，布莱 奇叫p o b l a t c h ) 发表了固一液混合浆体的首批室内试验研究报告，奥布莱恩 ( m e o b f i e n ) 、海伍德( g w h o w a r d ) 进行了关于有压管道内浑水运动特性的研究，为 管道输沙技术的发展奠定了基础。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，采用管道水力输送固体物料的国家愈来愈多。据不完 全统计【l o ，1 砚o 】，世界上已有2 0 多个国家，建成近百条长距离浆体输送管道，总长度 近4 0 0 0 k m ，输送固体物料的品种达2 5 种之多。目前，管道水力输送技术已广泛应用 于各种工业领域，例如海港、内河、湖泊的疏浚清淤，堤防、路基的填筑，冶金和 煤炭部门的精矿砂、尾矿和煤炭的输送，火力发电厂的粉煤灰、渣和核工业的铀矿、 废水废料的输送，以及农业、化工、建筑等部门的原材料、中间产品和成品的输送 等。其中最著名的有1 9 7 0 年美国建成的黑密萨( b l a c k m e s a ) 管道输送系统，全长4 4 0 k m ，管径4 5 7m m ，年输送量4 8 0 万吨。1 9 9 7 年巴西建成的世界上规模最大的s a m a r e o 铁精矿管道，长4 1 0 k m ，管径达5 0 8 m m ，年输送能力为1 2 0 0 万吨。管道水力输送向 着远距离、大管径、高浓度方向发展。 管道水力输送技术大致经过3 个发展阶段：流体管道输送，浆体管道输送，水力 密封容器管道输送( h y d r a u l i cc a p s u l ep i p e l i n i n g ，简称h c p ) 。 水力式容器管道运输技术( h c p ) 是一门较年轻的技术。h c p 首先由几位加拿大研 究人员在2 0 世纪6 0 年代提出，之后日本、南非、荷兰、澳大利亚、美国等国家都对 其进行了研究。美国已建立了基础研究和中间应用技术试验线，对包括容器流输送 的水动力学、新型发送泵、射入方法及控制技术进行研究以输送矿物产品和农产品。 【2 2 l 在h c p 的研究基础上，美国密苏里大学的h e n r yl i u 等人在2 0 世纪9 0 年代提出了 柱状型煤管道输送( c o a ll o g p i p e l i n i n gt r a n s p o r t a t i o n ) 的概念，并进行了柱状型煤管道 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 输送的水力特性、经济可行性等的研究。c l p 是一种使用有压水作为载体将压制成的 圆柱形煤棒进行长距离运输的管道输煤系统。这种系统无需回程管道和载煤容器， 它是一种可行的、正进入商业化应用的新运输技术，具有很好的应用开发前景1 2 2 1 。 型料管道输送是物料管道输送的新概念，即将散体物料压制成有一定强度的圆 柱状型料，然后注入管道长距离输送。它和h c p 、c l p 技术有相通之处。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 部分管道输送工程事例+ “2 1 l t a b l e l 1e x a m p l e sf o ro ff l u i dt r a n s p o r ti np i p e e 1 3 2 1 1 管道长度 年输送量 序号输送矿物管路名称 管径( m m ) 投产时间 ( k m )( 万啪 奥亥俄 l 煤 1 7 42 5 41 3 01 9 5 7 ( 美国) 黑弥萨 2 煤 4 4 04 5 74 8 01 9 7 0 ( 美国) 埃特西 3 煤 1 6 4 09 6 52 5 0 01 9 7 9 ( 美国) 奥尔顿 4 煤 2 9 06 1 0l o o o1 9 8 l ( 英国) 佩纳柯罗拉 5 精铁矿4 5 2 0 31 8 01 9 7 4 达( 墨西哥) 萨马科 6 精铁矿4 1 05 0 8 1 2 0 01 9 7 7 ( 巴西) 7 精铁矿萨凡奇河 8 52 2 92 3 01 9 6 7 西埃尔、 8 精铁矿 3 22 0 32 1 01 9 7 6 格兰德 西伊里昂 9 精铜矿 1 1 l1 0 23 01 9 7 2 ( 印尼) l o 精铜矿波甘维尔 2 71 5 21 0 01 9 7 2 1 l石灰石鲁比9 22 5 41 7 0 1 9 6 4 1 2 石灰石 卡拉佛拉斯 2 71 7 81 5 0 1 9 7 1 1 3 磷精矿瓮福( 中国) 4 4 52 1 92 0 01 9 9 5 孟县黄岛 1 4 煤 7 2 04 5 47 0 02 0 0 0 ( 中国) 1 5 铜尾矿秋田( 日本) 7 l3 0 56 01 9 6 8 亚利桑那 1 6 精铜矿 1 81 0 2 4 0 ( 美国) 拉格比 1 7 石灰石 9 22 5 41 7 01 9 6 4 ( 英国) 1 8 黑沥青犹塔( 美国) 1 1 51 5 23 8 佐治亚 1 9高岭土2 62 0 36 0 ( 美国) 文献【2 3 】介绍了国外特别是美、日、德等国的管道物流的发展历史及研究现 状。另外可参考文献 2 4 2 9 。 ， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 3 管道固、液两相流研究的内容和方法 1 2 3 1 管道固液两相流的研究意义 开展管道固液两相流的理论与实验研究，对于完善管道输送技术理论基础，提 高管道水力输送工程的设计和运行水平，促进管道水力输送技术的工业化应用，具 有重要的意义。 固体物料的管道水力输送技术广泛应用于国民经济众多领域。管道固液两相流 研究在工程中最典型的应用是固体物料的管道水力输送，而管道水力输送最基本的 问题是固液两相流动。 固相颗粒是多种多样的，可以是泥沙、煤粉、水泥、盐类、谷类、面粉、纸浆， 甚至是大块的煤团、矿料、渣浆、建筑材料等种类繁杂，大小、形状、重度等物性 参数迥异的颗粒的存在，改变了管道液体流动原有的流场特性，使得管道内部的固 液两相混合物呈现复杂多变的流动状态。 文献 3 0 1 针对固体物料的多样性、复杂性以及管道固液两相流动的特点，阐述了 固液两相流与单相流的主要差异、研究内容、研究方法和实验手段。 1 2 3 2 从工程应用的角度来看，管道固液两相流的研究内容 主要有以下几个方面： ( 1 ) 阻力特性及减阻措施 ( 2 ) 流动结构特性 ( 3 ) 流动的相似性 ( 4 ) 泵送设备及管道动态特性 ( 5 ) 双相耦合作用 ( 6 ) 湍流数值模拟 1 2 3 3 研究方法 ( 1 ) 工程近似方法：两层或三层代数模型法 ( 2 ) 理论解析方法：目前较多采用的理论模型有：单流体模型、双流体模型的 l a g r a n g e 描述方法等。 ( 3 ) 实验研究 实际研究过程中，人们往往都将这三种方法结合在一起实施。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 4 管道水力输送取得的成果与存在的问题 固体物料的管道水力输送技术广泛应用于国民经济众多领域。因此，对管道水 力输送理论( 固液两相流理论) 的研究成了一个热门领域。前人对固液两相流的研 究进行了大量的工作，但是由于固液两相流流动的复杂性，还有很多问题；随着工 业技术的迅猛发展，绝大多数的研究结果需要在应用中不断修正与完善。下面从实 验系统设计和理论技术特性两方面作简要说明。 1 2 4 1 系统设计与测试方面 文献【3 1 】针对粒状物料管道水力输送的特点，设计建造了固液两相流管道输送试 验台，着重介绍了试验台的系统结构、测试方法和主要功能。实践表明，该试验台 设计合理、功能完善、测试准确可靠，可以用来模拟工业管道的各种工况。 文献【1 3 】根据国外管道输送固体物料技术的实际运行经验，并结台贵州瓮福磷矿 磷精矿管道输送系统的建设过程，从运输方案比较、管道运输系统设计以及采用管 道输送固体物料应注意的问题三个方面，阐述了管道输送在固体物料中的应用。 上面主要是关于浆体管道输送的。 煤柱管道水力输送是基于密封容器管道输送的水力学原理和散粒体压力成型技 术而提出的管道水力输煤的最新概念，运载能力强，输煤量大，需水量少，而且运 行稳定可靠，单位输煤量能耗小，可望成为新型的管道输煤技术。煤锭管道输送是 通过有压水力管道输送煤锭的一种新技术。美国密苏里哥伦比亚大学在实验室进行 了试验，南方冶金学院林偷教授也开展了研究。这项技术还没有达到应用水平。为 了将其应用于生产中，针对该技术与生产应用的差距，太原理工大学李元宗教授和 他的同事及学生也建立了试验管道系统，开展了以应用为目标的试验研究。 文献【3 2 】介绍了美国容器管道输送研究中心正在从事的c l p 技术的研究和开发 现状，特别是其建成的测试管线系统的组成值得借鉴。 林愉教授领导的课题组对煤柱管道水力输送进行了系统的研究。文献 3 3 ，3 4 】 根据煤柱管道水力输送的特点，对煤柱管道水利输送系统中若干个技术环节，如煤 拄注入和排出，管道泵动力增压，管线折弯和弯转，煤柱分支管道分流等提出了可 行的设计方案和设计参数。文献 3 5 】提出了实验管道输送系统的设计思路，并就管线 布置和设计方案进行了研究，特别是测试系统的设计非常巧妙。文献【3 6 】对管道输送 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统中缝隙度的测量进行了研究，给出了测量型料与管道底壁间隙的装置的设计方 案。文献 3 7 】 3 8 专门就型料输送管道系统中注入装置进行了设计研究。文献 3 9 】专 门就型料输送管道动力驱动装置进行了设计研究。文献 4 0 】 4 1 】专门就型料输送管 道动力控制系统进行了设计研究。 上面对实验系统研究为今后开展类似的研究打下了坚实的基础。 1 2 4 2 理论与技术特性方面 作为一门新兴的综合技术，管道水力输送涉及到流体力学、固液两相流动、流 变学等多门学科，成了近年来国际上的一个热点研究领域。 二战后，管道水力输送的研究有了很大的进展，各国相继对固体物料的管道输 送进行了较深入的理论和试验研究工作。5 0 年代初，杜朗德限d u r a n d ) 4 3 4 5 1 、康多 里奥( e c o n d o l i o s ) m l 、吉尔伯特( r g i l l e r t ) 等人发表了一系列很著名的论文，论述了 室内试验研究成果，并以此建立了经验公式。6 0 年代，苏联的尤芬( a e j u f i n ) 、西 林( a n s i l i l l ) 及其他一些国家的学者也都相继发表了许多文章，这些对浆体管道 输送工程设计具有重要的指导意义。这些研究成果进一步揭示了在一定条件下，矿 浆有可能在能源消耗较少的情况下实现高浓度、大管径、大运量、超临界输送，展 示出管道长距离运输的广阔前景。工业生产中的广泛应用，进一步积累了运行经验， 提高了设计能力和管理水平，推动了管道水力输送工程的设计和建设，使之逐渐成 为一种比较成熟的运输方式。 在管道输送工程中，输送固体物料主要是以水作为载体的液一固两相流。由于 液一固两相流的复杂性，虽然对管道水力输送机理的认识正逐步深入，该技术在世 界范围己广泛地应用与生产，但总的来说关于管道固一液两相流动的理论还不成熟， 许多理论及技术尚未取得一致认识。许多基本问题，例如：管道输送的临界速度、 阻力损失和减阻措施、管道磨损、结垢和去垢、管道堵塞和水击，以及最佳输送浓 度和浆体流变参数的确定等都是管道输送工程设计和运行中往往急需了解和解决的 问题。8 0 年代，我国的钱宁 6 1 、万兆惠【6 4 酣、佟庆理1 4 7 】和美国的e j e 斯普【4 明都先后 著书进行综述。王绍周【r 丌、费祥俊1 0 】也都有此论著。自晓宁，胡寿根0 8 - 2 0 l 对固液两 相流管道水力输送作了综合性论述，综述了管道固液两相流动中流动状态、浓度和 速度分布、临界速度及摩擦损失等方面的研究进展。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 w s a p 4 9 、n e w i t t 5 0 】等研究并提出了把流动状态分为：均质流和非均质流； d r u a n d 【4 3 书1 、t 嘶a n 【5 1 1 以及王邵周【1 7 】等人进一步研究并各自提出了两种流态的判别标 准。t o d a 5 2 1 等人又对流动机理和流速分布进行了试验研究，而后，r o c o 5 3 1 、a s k u a r 5 4 1 、 a y u k a w a t 5 5 i 、a l a j b e g o v i c l 5 6 1 、许振良【5 7 1 、魏进家【5 8 l 等人用数值方法对管道两相流的 浓度、速度等分布进行了研究。张兴荣桓提出了高浓度管道输送中的速度分布模型。 管道输送中，临界速度和摩阻损失是两项最重要的参数。因为前者关系到管道运行 的安全性，后者则牵涉到运行的能耗问题。 关于临界速度的定义和鉴别众说纷坛。临界流速是浆体管道输送的一个重要因 素，目前尚无普遍的使用公式。t h o m a s 认为应使用“最小输送速度”，d u r a n d 使用 “极限淤积流速”，g r a n f 等人则采用“临界淤积流速”。国内的研究者如费祥俊【1 0 1 、 王邵周【 1 、张兴荣【5 9 】等人则主张“临界不淤流速”。由于各家对临界速度的定义不 一，加之试验手段各异，导致了各种不同的计算公式。d u r a n d 、w a s p 、s h o o k 等人都 提出了经验公式，但它们考虑的因素少，而且还需要特定的条件。7 0 年代以来，国 内的一些研究者如刘德忠、王邵周【l7 l 、张兴荣例、费祥俊等人也陆续提出了一些临 界流速的计算公式，其中，费祥俊的公式较有代表性。汪东、许振良、孟庆华例在 前人试验研究的基础上，找出影响浆体管道临界流速的主要因素并进行分析，再利 用尖山铁精矿管道输送试验数据的实测值与计算值进行比较，找出一个比较适合管 道输送的普遍临界流速公式。 对管道摩阻损失的计算主要有三方面的理论：扩散理论( b m m a k a e e ，1 9 3 1 ) ， 重力理论( m a b e a l - i ，1 9 4 4 ) 和能量理论，都是有前苏联的科学家提出的。 8 0 年代以来，为了提高输送能力、节约能源，在进行减阻及提高浓度的研究中， 一些学者提出了掺加高分子聚合物、纤维材料、增加颗粒含水量来调整固体颗粒的 级配1 4 6 1 ，以实现减阻目的。还有一些研究者致力于管道高浓度输送阻力特性、流动 特性及输送参数的研究【4 7 1 。费祥俊对浆体和颗粒状物料输送水力学进行了综合评述 d 0 。 任效凯，王荣祥根据国内外设计研究和生产实践积累的经验，提出了管道输送 所需气流压力、水流压头、气力物流临界速度、水力物流临界速度、和高压输送管 道厚度的基本经验公式1 2 1 1 。 文献【1 l 】探讨了固体颗粒管道水力输送的机理，综述了管道固液两相流动中流动 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 状态、临界流速及阻力损失等方面的研究进展，并对上海理工大学建成的两相流管 道输送实验台及其应用作了简要介绍。近几十年来该领域在以下几方面的研究取得 了很大进展流型的分类，临界流速的确定，阻力损失的预测。 在煤柱( 型料) 管道输送研究方面的研究大体如下： 林愉教授曾在美国密苏里大学密封容器管道研究o f f , 已, ( c p r c ) 完成了一系列研 究。文献【3 6 】将流体力学理论和管道实验相结合，研究分析了圆柱状型料在管道内的 运动形态以及在流体的动力作用下的受力和悬浮间隙度，从而揭示出圆柱状型料在 水平输送管道内悬浮的机理和制约条件。 文献 5 1 1 根据l i u 煤柱在管道中四个流动区域的流动特征的认识，对每个流动区 域煤柱流动的水力学性状分析推导，得出一组适用于任何尺寸的密封容器( 煤柱) 和管 道，以及能预测任何条件下的密封容器管道的水头损失的公式。 文献 6 2 1 张晓东，樊建伟等对柱状型煤水力管道输送运动特性进行了研究，研 究了煤柱在水力输送管道内的流动性状有静止、滑行、间歇或部分悬浮、完全悬浮4 种运动状态，水流为紊流。 文献 6 3 】对煤锭在管道中运动的力学机理进行了深入细致的剖析，完成了对管 道阻力的测量，并且测出了不同流量下煤锭与水之间的相对运动速度、固定煤锭前 后端面速度场。 文献【6 4 】分析管道内绕静止圆柱状型料的流线分布和局部阻力损失的成因，借鉴 同心环隙流理论，研究绕静止圆柱状型料管道流的水力损失，并通过实验导出计算 绕静止圆柱状型料管道流水力损失的半经验公式。 文献【6 5 】在煤锭水力输送实践装置上，对相对密度为1 3 ，长度和直径比为1 3 5 8 5 的柱形煤锭，在不同工况下的平均能耗、冲击能耗和煤锭的运动速度等进行了测试 研究，分析了影响能耗的因素，平均能耗有一合理范围，应在满足输煤量要求前提 下，通过优化组合去得到，以便用于指导系统设计和动力选择。 文献【6 6 】分析了煤锭管道输送中煤锭在不同运动状态下的受力情况。通过大量试 验测出了静止于管流中的煤锭表面的压强分布，绘制出了反映煤锭表面压强分布规 律的压强系数曲线，为研究煤锭管道输送的力学机理提供了必要的实验依据。 文献 6 7 1 定常管流中煤锭表面压力分布实验研究。 文献 6 8 1 在假设条件下，参照管道水力学理论，分别引入运动型料表面和静止管 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 道壁面的摩阻系数，建立水平同心型料管道流的简易数学模型。为了简化模型而作 出的假设使得该模型有很大的局限性。 以水为载流体，煤柱悬浮速度一般超过2 5 m s ，对应的管道水力损失较大。因此， 文献 6 9 】设想用煤浆代替水作为载流体输送煤柱，研究了煤柱在煤浆管道中输送的运 动特征。 1 3 本文的主要研究内容 简装料管道水力输送是一种新型的管道水力输送方式，其需要研究的应用基础 问题很多，其中管道车运移中的水力特性研究尤为重要。因此，本文以此为题开展 研究工作，本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 简装料管道水力输送试验方案设计与管道车设计； ( 2 ) 管内水力特性的试验研究； ( 3 ) 建立管