粗颗粒在复杂空间形态管道水力输送中运动形式的研究

    随着我国社会经济快速发展，对矿产资源需求急剧增长，在矿产资源开发中均可能利用管道水力输送技术，例如水力采煤、精矿输送、深海采矿等。固体物料管道输送技术由于具有投资少、建设周期短、占地面积少、可连续密闭输送、有利于保护环境等优点成为这些矿山矿物输送的必然选择。近年来，我国先后建设了多条长距离输送管道，如云南建设了171km大洪山铁精矿输送管道，太钢公司建设了102km尖山铁精矿管线，目前正在论证的神华至渭南的输煤管道工程线路长度更是达到了700km。可以预见，随着我国国民经济的持续稳定发展，浆体长距离管道输送必将在我国资源开发诸多领域获得广泛应用。令人遗憾的是，上述我国现有两条最长的管线均为国外公司设计，反映我国管道水力输送技术与国外仍有较大较大差距，因此，开展该领域研究具有迫切的现实意义。
    迄今为止，国内外许多专家就这方面问题进行了大量研究，如管道水力输送阻力、颗粒在管道中输送形式（悬移、推移）等。其中Durand、Newitt等给出了一些具有普遍意义的摩阻损失计算模型，夏建新等人则就粗颗粒在垂直管道中的水力输送特性进行了相关研究。然而，对于复杂形态管道中含粗颗粒非均匀固液两相流动的研究比较少，尤其是粗颗粒在复杂管道水力输送过程中运动形态的变化规律目前还鲜有报道，而这一研究对于提高系统的稳定性和可靠性，推进我国管道输送技术的快速发展和实践工业生产进一步节能降耗具有重大的工程应用价值。
    山东东方管业有限公司结合本公司实际出发，长期研究管道水力输送的复杂形式，借鉴中央民族大学、环境科学系的大力帮助。对矿浆在超高分子量聚乙烯管粗颗粒的输送研究。
    本文以管道水力输送理论为基础，根据实际工程中可能遇到的管道形态以及无聊的特性，自行设计了一套模拟管道输送试验系统，分析了粗颗粒在复杂空间形态管路输送过程中运动形态的变化情况，并研究与速度、物料颗径、体积浓度等重要技术参数之间的关系，为管道水力输送系统的设计提供依据。

1.粗颗粒在管道中运动状态的划分
1.1滚动推移状态
    滚动推移是粗颗粒在管道中较低流速条件下的运动状态，其运动特点既符合推移运动状态的特征，又有其独特性，主要表现在：①粗颗粒在管道中滚动推移的速度明显小于水流的平均流速;②粗颗粒的滚动推移随着水流强度加大出现单颗粒的滚动推移到颗粒群的滚动推移的变化；③与悬移和滑动推移不同，滚动推移所对应的平均流速的范围明显较小，即粗颗粒出现滚动推移后短时间内就会出现静止现象。
1.2滑动推移状态
    滑动推移是粗颗粒在管道中出现的主要运动形式，其运动特点是颗粒始终与床面保持接触，粗颗粒与床面之间以及颗粒与颗粒之间存在摩擦、碰撞，处于滑动推移状态的粗颗粒其支持力来自于流体的拖拽力和颗粒之间的相互作用的粒间离散力。在本研究中，粗颗粒出现滑动 推移所对应的平均流速的范围较广，且试验所涉及的粒径和浓度在较广的平均流速区间均会出现滑动推移现象。
1.3悬移状态
   悬移的基本特点是粗颗粒在管道中的运动速度与水流速度基本一致，其能量来源于紊动动能，二处于悬移的粗颗粒其支持力是紊动漩涡，因此在管道垂直向上往往存在着一定的浓度梯度。在本文研究中，悬移状态只在小粒径、低浓度且高流速的情况下才会出现，因此，悬移状态并且粗颗粒在水平管道中的主要形式。
2.试验系统和方法
为能够处分研究粗颗粒在管道中的运动状态，特别涉及了超高分子量聚乙烯管道试验系统，该系统由变频调速器、旋流泵、超高分子量聚乙烯管道、稳压水箱等四部分组成。超高管道直径50mm，长度20m，其中包括水平管道、倾角30°上升管道、倾角45°上升管道、倾角45°下降管道和倾角60°下降管道5种形态。
粗颗粒水力管道输送试验系统采用星形叶轮式给料机给料，经固液分离滤网过滤后，物料直接进入给料机料箱。采用清水泵作为流体输送动力，物料不需要过泵，有效的避免了物料的破碎和粉化，保证试验过程中粗颗粒粒径基本不变。
在试验系统控制与测量方面，给料机和水泵均采用变频调速器进行无级调速，确保满足试验所需的流体输送速度和颗粒浓度条件。在水平管中部安装一段长约10m的透明有机玻璃管，便于观察颗粒运动运移形式和对颗粒运动进行高速摄影，跟踪颗粒运动轨迹。利用数字图像计算机实时处理技术进行颗粒运移形式、颗粒速度等分析。
试验的液相为清水，固相为天然石英砂，试验物料有0.8—1.0mm、1.0mm—2.0mm、2.0mm—3.0mm、3.0mm—4.0mm4组粒径，每组粒径物料进行5%、15%、25%3种浓度试验。
试验时，先启动泵，再将同一组粒径的物料按照一定浓度均匀投入加料仓，泵转速由变频调速器控制。试验中，利用高速摄影测量不同运动状态（悬移、滚动推移和滑动推移）颗粒在水平管道中的厚度，水流速度和物料浓度数据可以通过在管道出口取样标定得到。
3实验结果与分析
由山东东方管业有限公司做高浓度试验得知：
3.11 悬移

   悬移并不是水平管道中粗颗粒的主要运动状态，只有当粒径小于2.0mm，平均流速大于3.0m/s,粗颗粒随着平均流速的增加，出现悬移的颗粒越来越多，其面积比的最大值仅62.65%。倾斜上升管道中，倾角为30°时，当粒径小于2.0mm,平均流速大于2.0m/s,粗颗粒随着平均流速的增加，出现悬移的颗粒越来越多，其最大面积比悬移的运动状态，这一点与水平管道存在明显差异。随着平均流速增大，4组粒径均表现出悬移颗粒越来越多的趋势，其悬移运动颗粒面积占截面积的百分比均可达到100%。然而不同粒径所对应的平均流速具有一定的规律性：对于粒径在0.8-1.0mm的较细粒径，平均流速在2.4m/s时所有颗粒全部进入悬移状态，其面积比达到100%；对于粒径大于1.0m的颗粒，平均流速达到2.8m/s时颗粒进入悬移状态，且于稳定。
    可见，无论是从出现悬移运动形式的临界流速的比较，还是从出现悬移运动趋势的难易程度，设水平管为倾角为0°的倾斜管，则随着倾角的增大，粗颗粒越容易出现悬移运动状态。

3.12滑动推移

    粗颗粒在水平管和倾斜管中滑动推移的运动状态随平均流速的变化分为两种类型，其一是当颗粒小于1.0mm的颗粒,对于水平管而言，随着平均流速增大，出现滑动推移颗粒越来越多且保持稳定状态，当平均流速达到2.9m/s时，随着平均流速继续增大，颗粒开始向悬移变化；对于倾斜管而言，滑动推移是一种过渡运动状态，当平均流速达到2.0m/s时，颗粒迅速转变为悬移运动；其二是粒径大于1.0mm的颗粒，虽然粗颗粒在水平管与倾斜管中的运动形式相一致，但运动趋势却存在着较大差异，对于水平管道而言，随着平均流速的不断增加，粗颗粒将保持其滑动推移的稳定状态，运动速度逐渐接近水流的平均速度；对于倾斜角为30°的倾斜管而言，随着平均流速的不断增加，滑动推移运动颗粒表现先增加后减小的趋势，此时滑动推移层的高度受粒径的影响较大，而倾角为45°的倾斜管则表现出滑动推移颗粒越来越多，当达到最大值后，滑动推移逐渐转变为悬移的变化规律，这一规律与水平管道相一致。
    因此，滑动推移对于水平管道而言是一种较为普通，且在交款的速度范围内出现的一种稳定的状态，而对于倾斜管而言滑动推移仅仅是一种过渡状态的运动形式，当倾角小于30°时，由于水流的上举力无法超过垂直于关闭的颗粒有效重力的分力，因此颗粒以滑动推移为主要运动形式；当倾角超过30°时，随着倾角的增加，粗颗粒将由滑动推移向悬移转变，究其原因在于随着倾角的增加垂直于管壁的颗粒有效重力的分力减小，在平均流速增加的情况下，水流紊力动能逐渐增加，由于水流的上举力超过了阻碍颗粒上升的有效重力的分力，颗粒开始出现悬移。