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1、第9卷第2期中国有色金属学报1999年6月Vol.9No.2TheChineseJournalofNonferrousMetalsJun.1999沉降性浆体在水平管道内输送时的水力坡度¹许振良(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,阜新123000)摘要从固体颗粒加速期间清水与固体颗粒的速度变化、动量传递、相关质量等基本问题分析入手,研究了沉降性浆体在水平管道内流动时其固体颗粒在3种流动状态下的水力坡度,提出了沉降性浆体在水平管道内流动的机理模型,进而用该模型对一些输送条件下的沉降性浆体的水力坡度进行了计算。对实际问题的理论计算结果与实测结果的对比分析表明,该
2、模型能比较精确地预计上述几种流动状态下水平管道内沉降性浆体的水力坡度。关键词沉降性浆体附加压力干涉力水力坡度中图法分类号TD569沉降性浆体在水平管道内流动时,浆体内固体颗粒的输移状态决定着浆体管道输送水力坡度的大小,弄清浆体内固体颗粒的输移状态与浆体管道输送水力坡度之间的关系,是实现浆体既安全又经济地进行长距离管道输送的先决条件。本文从固体颗粒加速期间清水与固体颗粒的速度变化等分析入手,研究了沉降性浆体中固体颗粒的移动状态与浆体管道输送水力坡度之间的关系,提出了预计沉降性浆体管道输送水力坡度的新模型和方法。1固体颗粒的加速过程分析沉降性浆体在水平管道内流动
3、时,固体颗粒在管内的运动速度要能从0加速至Ts,必然要得到来自于清水间的动量转让。固体颗粒由静止开始加速,经过时间t达到一个稳定的速度,并继续以该速度在管内向前运动来实现物料输送。根据Rose的试验研究可知,固体颗粒加速时,在固体颗粒加速管段上存在一个附加压力$Ps,其计算公式为[1]$Ps=0.56W(1)M*vm2Q(1)这里M*=Dqvs(2)(1-q)vw式中W(1)是系数;D=Qs/Q;Qs,Q是固体颗粒和清水的密度;q为定常流管段上固体颗粒平均体积浓度;vw,vs,vm分别为定常流管段上清水、固体颗粒、沉降性浆体的平均速度。2固体颗粒加速期间的
4、清水速度变化分析在管口断面A上微小时间$t内排出的固体颗粒质量Ms和清水质量Mw之间建立动量平衡方程式则[2]*qQsvs2(3)v-vw=(1-q)Qvw式中v和v*w为考察的这部分质量为Mw的清水和固体颗粒发生动量交换前、后的流速。质量为Mw的清水由于与固体颗粒进行动量交换而减速。然而,固体颗粒加速管段存在的附加压力$Ps又使它的速度增加,其增加量为[2]¹收稿日期:1998-05-08;修回日期:1998-12-09许振良,男,42岁,工学博士,教授#442#中国有色金属学报1999年6月$vw=A(1-q)$Ps$t$Ps(4)=A(1-q)vwQ$
5、tQvw质量为Mw的清水在固体颗粒加速期间的实际速度改变量为v-vw=v-vw*-$vw(5)由式(5)可进一步得到v-vw*=k1(v-vw)(6)且k1=1+$vw/(v-vw)(7)将式(6)代入式(3),便可得到计算清水实际速度变化量的计算公式为v-vw=qQsvs2(8)k1(1-q)Qvw式中k1的计算公式为[2]k1=1/[1-0.5W(1)](9)W(1)的取值由图1的W(1)与lg(vm2/gdD2)关系曲线给出,其中d为固体颗粒粒径,g为重力加速度。图1W(1)与lg(v2m/gdD2)关系图Fig.1Relationshipbetwee
6、nW(1)andlg(v2m/gdD2)fortwo-phaseliquidflow3定常流状态下固体颗粒的受力及运动分析固体颗粒在管内结束加速过程后,沉降性浆体就进入了稳定的流动状态,此时单个固体颗粒的运动方程可由下式给出[3]P3Qdvs6de(Qs+2)dt=FD-Fh=0(10)式中FD,Fh是固体颗粒所受来自于清水间的水流拖曳力和其他固体颗粒的干涉力,各自的计算公式如下[3]P2(vw-vs)2Q(11)FD=4deCDr21-(1-q)2(n-1)(ReA+yFh=(ReA+zReA2+448AB/(1-q)n-1)2WbReA2+448AB)
7、2(12)式中de是固体颗粒的球体等价直径,CDr是以vw-vs为基准的阻力系数,Re是固体颗粒雷诺数,A和B是固体颗粒Swanson形状系数,n是质数(用佐藤公式计算),Wb是固体颗粒3(Qs-Q)g/6。在水中的有效重力Wb=Pde将式(11)代入式(10),则vs=vw-8Fh(13)Pde2CDrQ考察管口断面A上排出的浆体流量可知,清水、固体颗粒及浆体平均速度vw,vs及vm三者之间还存在下面的关系:vm=vw(1-q)+vsq(14)式(8),(13)和(14)给出了v,vw,vs和vm之间的关系。4加速期间固体颗粒处于滑、跳移时的速度变化分析加
8、速期间固体颗粒在管内处于滑、跳移状态时,必需考虑固体
