浆体流动阻力机理研究

浆体流动阻力机理研究

浆砌一般是指含有一定量细固体的沉降固液体中的两相混合。浆砌井的管道输送是将管道作为支撑向固体输送的水平方法。该方法具有较强的传输能力和保护性，广泛应用于工业设备和产品的输送过程，如发电、冶金、采空处理、城市污水处理等。在浆砌井过程中，流动阻力的大小直接影响到浆砌的流动性和压力损失。这是运输成本的一个重要影响因素。因此，研究不同流态下浆砌的阻力理论体制，采用适当的电阻法，有利于改善浆砌的流动性，降低浆砌井的能耗。1流状态的描述浆体的流动状态对管道输送过程中流动阻力的大小有很大影响,原因是不同流动状态下流动阻力产生的机理不尽相同,因此,应通过试验测定分析浆体的各种流动状态进行阻力机理的研究.V.Matousek指出,在同等条件下,水平输送管道中含不同粒径固体颗粒的浆体随平均流速的变化呈现出三种流动状态:完全分层、半分层及完全混合状态.当输送流速较低时,由于重力影响,固体颗粒将分选沉降,因此在竖直方向颗粒分布不均,大部分颗粒聚积于管道底部,形成沿管底缓慢滑行的“滑动床”,而管顶部分含有固体颗粒较少,此时出现明显的分层流动,流动阻力较大且容易产生淤积;在较高流速下,受水流冲击力影响固体颗粒较均匀地分布于管道之中,虽能使固体颗粒保持悬浮而不至于淤塞管道,但在紊流状态下流动阻力随流速的平方成比例迅速增大,输送费用也随之增高.流动状态通常可以用竖向浓度分布曲线来反映.例如,根据V.Matousek在150mm钢管中对体积浓度均为34%的含沙水流流动状态的研究,如图1所示,当流速为6m/s时,细沙(d=0.12mm)的分层流动被破坏,几乎处于完全混合状态,形成了浓度较为均匀的均质流体;中沙(d=0.37mm)处于分层流动状态,管底沙粒浓度约为管顶浓度的2～3倍;中、细混合沙表现为与细沙相类似的完全混合状态.D.R.Kaushal等人在54.9mm钢管中对粒径为0.125mm的玻璃球颗粒的试验也得到了与上述类似的结论,如图2所示,不同流速下浆体处于不同的流动状态,当流速较小(v=1.0m/s及v=2.0m/s)时,浆体分别处于完全分层和半分层状态,而当流速较大(大于等于3m/s)时,颗粒浓度分布较均匀,流动处于完全混合状态.2固体载体与固体颗粒间的摩擦浆体在输送过程中产生的阻力作用主要分为两种:一种是由于固体颗粒直接与管壁产生持续或偶尔的接触而产生的机械摩擦力,另一种是由于颗粒的介入,提高浆体中颗粒载体(水等液体)的黏性所产生的较大的黏性摩擦力.至于哪种阻力作用处于主导地位,要依据浆体的流动状态来确定.完全分层流动状态下,固体颗粒绝大多数沉积于管底,因此由颗粒与管壁接触产生的机械摩擦力占主导地位;而完全混合状态下,阻力的产生,一方面由于存在于管壁附近的悬浮固体颗粒与管壁及其他颗粒之间的相互碰撞,另一方面是由于固体颗粒较均匀地分布于液态载体中,随着载体黏性增大而产生了较大的黏性摩擦力;半分层状态下流动阻力的机理介于完全分层和完全混合状态之间,这里不加以详细探讨.2.1k.c.korwell模型完全分层状态下,大部分固体颗粒沉降于管底而形成沿管壁滑行的“滑动床”,浆体输送过程中阻力主要源于该“滑动床”与管壁之间产生的机械摩擦力.K.C.Wilson等人对完全分层状态下的阻力特征进行了研究,提出了作用于管壁的压应力符合静水压力分布特点的假设,并根据库伦定律,进一步提出管壁上的剪应力与压应力成比例,并且此剪应力对阻力起主导作用.然而由于诸多干扰因素的存在,K.C.Wilson关于完全分层状态下的阻力机理只在两种情况下得到了证实.一是A.C.Korving对圆管中含高浓度均匀细沙的浆体进行的试验研究,试验中采用的细沙直径为0.103mm,试验管段直径为158mm,如图3所示,试验结果能较好地与Wilson的阻力模型预测结果吻合;另一情况是V.Matousek在倾斜圆管中进行的完全分层流动试验,结果表明,细沙与水流形成较清晰的分界面,细沙的流速与水流流速几乎同样大小,并且沙粒之间基本保持相对静止.这说明细沙与水基本不存在相对运动,因此在它们的交界面也就几乎不存在剪应力,由此推断,只有细沙与管壁相对滑动时产生的机械摩擦力,能与“滑动床”所受重力分力相平衡.另外,此机械摩擦力的大小与“滑动床”的质量有直接关系,分层越完全机械摩擦力也就越大.2.2机械摩擦阻力的影响完全混合状态下,阻力的作用产生于两个方面:即悬浮固体颗粒与管壁及其他颗粒之间的相互碰撞所导致的机械摩擦力,以及随着载体黏性增大而产生的较大的黏性摩擦力.不同粒径固体颗粒引起阻力的机理差别很大.由于具有较大的体积,大粒径固体颗粒与管壁及大粒径固体颗粒之间碰撞的机会较多,因此作用效果比较明显,由此产生的机械摩擦阻力也相应较大.但大粒径固体颗粒在管道中的运动又可分解为平移和旋转.平移过程中在颗粒后方会产生小于颗粒前端的压力差,从而产生阻力;旋转时,根据马格纳斯效应,大粒径固体颗粒上方的流速增大而下方的流速减小,因而颗粒上下方的流体就产生压力差,从而产生了上举力,使颗粒上浮.如果固体颗粒表面粗糙,会使上举力增加,颗粒与管底碰撞几率减少,阻力减小.对于小粒径固体颗粒而言,由于粒径较小,一部分颗粒沉积于管底并受到管底粗糙的保护,几乎不受紊动水流及上举力的影响,这样就减少了颗粒与管壁及颗粒之间的碰撞,因此这一小部分小粒径固体颗粒几乎不会引起流动阻力.通过这些颗粒可改善管底的粗糙程度,增加边界层的厚度,有利于减小阻力.但其余小粒径固体颗粒由于分布于载体之中,因此增大了液态载体的黏度,从而增加管内流体之间黏性摩擦力.3减少电阻技术3.1层流流态变化,容易导致流动阻力对于浆体的管道输送,应尽量使流动处于完全混合状态,以避免“滑动床”与管底之间产生较大的机械摩擦力,并防止浆体淤积,堵塞管道.根据上述关于完全混合状态下阻力机理的探讨,对于中浓度(体积比约为30%～40%)及高浓度浆体(体积比约为50%～60%)输送问题,适当的粒径配比可改善浆体的流动性,减小流动阻力.如单纯地输送高浓度小粒径固体颗粒,由于增大了流体的黏性,虽有利于维持固体颗粒的稳定性不至于因重力作用分选沉降,但容易使浆体进入层流流态,增大流动阻力;若适当调整固体颗粒的粒径级配,增加大粒径固体颗粒的比例,使小颗粒能充分地填充到大颗粒间的空隙,防止大颗粒的沉降,将有利于使浆体维持在紊流状态下,减小流动阻力.D.R.Kaushal在管径为54.9mm的管道中,对由粒径为0.125mm及0.44mm的玻璃球颗粒组成的两相流进行了流动阻力试验,不同浓度下水力坡度的试验数据见表1—3.由试验结果可见,大多数情况下,0.125mm与0.44mm混合颗粒两相流的水力坡度较小,尤其当浓度较高(体积比40%及50%)时.费祥俊对高浓度煤浆的管道输送的试验结果表明,煤样的级配对流动阻力有很大影响,两种煤样级配的环管试验结果如图4及图5所示,B级配煤样的粒径范围较宽,最大粒径可达到3.0mm,与A煤样相比有一定比例的大粒径煤粉颗粒,因此大小颗粒相互掺混,可增加煤浆的流动性,降低在管道输送中的阻力.而A级配煤浆粒径范围狭小,主要集中在0～1.0mm之间,因此容易形成黏度较大的均质混合流体,虽然提高了煤浆的稳定性,但却增加了流动阻力.由此可见,调整浆体中固体颗粒的粒径级配是减小流动阻力的有效方法,然而由于浆体的种类及性质各异,尚很难给出一个固定的合理粒径级配,但可通过对特定的浆体进行流变试验和沉降试验,得到比较满意的粒径级配.3.2流变特性分析近年来,减阻剂减阻技术在高浓度浆体的管道输送中应用较多.在浆体中添加高分子溶液、细泥沙浆、纤维状材料和采取高压注气等,以此在输送管道中使主流区与边界层之间形成一个缓冲层,相应增加边界层厚度,达到减阻目的.国内外学者对含有减阻剂的高浓度浆体的流变特性及阻力特性进行了大量的试验研究,得出如下结论:①减阻剂是影响高浓度浆体流变特性的重要因素,可明显减小浆体在管道中的输送阻力;②减阻剂的剂量应控制在一个合理的范围之内,剂量过小达不到理想的减阻效果,剂量过大同样会降低减阻效果,同时增加了输送成本.究其原因,可能是由于加入适量的减阻剂能降低固体颗粒的表面能,增加固体颗粒的亲水性,使颗粒表面形成一层水膜,从而容易相对运动,提高流动性.固体颗粒表面附着的水膜层,能有效地阻止颗粒间的碰撞与聚集,但如果颗粒表面亲水性过强,水膜厚度过大则会引起颗粒的膨胀,使颗粒间的流动水减少,浆体黏度增加.因此选择适宜的减阻剂并控制好剂量,适当改善固体颗粒的亲水性,既可降低输送成本,又能提高输送效率.3.3温度对水煤浆流变特性的影响温度对浆体的管道输送过程中摩擦阻力有很大影响.浆体黏性随温度升高而减小,这虽然对浆体的稳定性不利,容易引起固体颗粒的沉降,但对减小管道摩擦阻力却很有利.李培芳等对不同温度下水煤浆流变特性及管道阻力进行了试验研究,结果表明,在每一调定温度下,水煤浆均为宾汉流体,不同温度时屈服应力变化不大,而刚度系数随温度降低而增大,并且温度越低其增大越快.两种水煤浆的流变数据见表4及表5.管道阻力的试验结果表明,其他条件相同时,管道摩擦阻力随温度的升高而减小,原因是由于随温度的升高,水煤浆体积增大,因而分子之间的相互作用因其间距增大而减弱,水煤浆的黏度降低.另外,管道摩擦阻力在低温段对温度变化比较敏感,而随着进入较高温度区段,阻力受温度的影响减弱,如图6所示.其他研究者根据各自对水煤浆流变特性的试验也得出了类似的结论,并指出随浓度的增加,温度对水煤浆的黏度影响越明显.因此,如有可能,应尽量避免输送浆体管道的低温运行,或采取适当的升温或保温措施.4机械作用力主导地位1)浆体的流动状态对管道输送阻力的大小有很大影响,原因在于不同流动状态下的阻力机理不同,同时不同粒径固体颗粒产