水流態(tài)化下粗砂顆粒懸浮額外阻力研究

王鐵力

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司管道輸煤所，湖北 武漢 430064)

水流態(tài)化下粗砂顆粒懸浮額外阻力研究

王鐵力

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司管道輸煤所，湖北 武漢 430064)

顆粒的力學(xué)分析是粗顆粒管道運(yùn)輸?shù)闹匾芯績?nèi)容，流態(tài)化下顆粒力學(xué)研究是一種有效的研究方法。為了研究流態(tài)化條件下上升水流中粗砂顆粒所受阻力， 利用實(shí)驗(yàn)手段，分別對(duì)顆粒直徑為0.5 mm、1.2 mm、2 mm、3.3 mm和4.5 mm的粗砂顆粒在垂直水流中的流動(dòng)阻力進(jìn)行了分析研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，粗砂顆粒還受到額外阻力作用。由此提出了采用干涉力前增加額外阻力系數(shù)來描述該額外阻力的方法。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，給出了額外阻力系數(shù)的表達(dá)式，并給出了額外阻力同水流上升平均速度和顆粒粒徑的變化關(guān)系。

管道運(yùn)輸；額外阻力；流態(tài)化；粗砂顆粒；平均速度；粒徑

近年來，越來越多的管道運(yùn)輸工程涉及到粗顆粒物料的管道輸送技術(shù)。若干學(xué)者的研究表明，粗細(xì)顆粒在水中運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有顯著的不同點(diǎn)[1-3]。漿體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)過程中的阻力研究，是研究漿體阻力損失、速度乃至濃度分布的基礎(chǔ)。這方面的研究必然涉及到液體(一般是水流)和固體顆粒滑移速度，而研究滑移速度最簡單的情況就是研究流態(tài)化狀態(tài)下液體(一般是水流)和固體顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1 垂直管道流態(tài)化下顆粒受力分析

顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)時(shí)，其受力平衡方程可以用下式描述[4]：

wb=fDi+fhi

(1)

其中各個(gè)力的表達(dá)式為

(2)

(3)

(4)

式(1～4)中：wb為顆粒受到的有效重力，N；fDi為水流對(duì)顆粒的拖曳力，N；fhi為所研究顆粒受到其他顆粒的干涉作用力，N；de為固體顆粒的等效直徑，m；ρs為固體顆粒密度，kg/m3；ρ為清水的密度，kg/m3；vi是流經(jīng)固體顆粒間的清水速度，m/s；CDi是基于vi的阻力系數(shù)；C是固體顆粒濃度，%；Rep是固體顆粒雷諾數(shù)；α，β為球形顆粒斯萬遜常數(shù)，分別取0.662 6和5.368。

對(duì)于細(xì)顆粒管道流動(dòng)情況，前期的研究表明[5-8]，式(1)是成立的，但是對(duì)于較粗顆粒的情況，還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 粗顆粒流態(tài)化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 粗顆粒流態(tài)化實(shí)驗(yàn)

流態(tài)化實(shí)驗(yàn)采用一根長度為1.6 m，直徑為100 mm的透明玻璃管，上、下回水管、進(jìn)水管、水泵和水箱構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)中水泵采用IS80-65-160型清水水泵，泵流量15～30 m3/h，揚(yáng)程7～9 m，配備1.5 kW電機(jī)。泵和電機(jī)均密封于水箱內(nèi)部。流量測(cè)量選用DN32管道一體式電磁流量計(jì)。流速通過流量計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得出。為了減小誤差，流量計(jì)上、下兩側(cè)的管長度均大于0.3 m。

試驗(yàn)中，顆粒直徑分別為0.5 mm、 1.2 mm、 2 mm、3.3 mm和4.5 mm的河砂，經(jīng)過加工，近似球形。顆粒密度為2 650 kg/m3。試驗(yàn)管道上、下端附近各安設(shè)有金屬網(wǎng)，兩金屬網(wǎng)之間的距離為1.2 m。實(shí)驗(yàn)初期，下部金屬網(wǎng)上顆粒層堆積厚度為120～140 mm，通過控制泵出口處的閘閥調(diào)節(jié)流量，從而實(shí)現(xiàn)泵的出口流量在0.6～30 m3/h范圍內(nèi)變化。逐漸加大水流速度，開始少量顆粒開始懸浮直至顆粒充滿整個(gè)試驗(yàn)管段。分別測(cè)量不同階段對(duì)應(yīng)的速度和顆粒體積濃度。隨著水流上升平均速度的不斷增大，測(cè)量和記錄對(duì)應(yīng)的顆粒濃度C和流經(jīng)固體顆粒間的清水速度vi的值，直到顆粒充滿試驗(yàn)管段。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

流態(tài)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示，隨著水流上升平均速度Vm的不斷增大，五種顆粒濃度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。并且，對(duì)于同一個(gè)水流上升平均速度Vm而言，顆粒直徑越小，顆粒濃度越小(見圖1)。

從圖2可以看出，隨著水流上升平均速度Vm的增大，每一種顆粒的間的水流速度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。而且，對(duì)于同一個(gè)水流上升平均速度Vm而言，顆粒直徑越大，顆粒間水流速度越大(見圖2)。

3 粗顆粒流態(tài)化懸浮額外阻力

為了確定式(1)對(duì)于粒徑為0.5mm、1.2mm、2mm、3.3mm及4.5mm的顆粒是否成立，將實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果帶入式(2～4)，分別計(jì)算了顆粒受到的有效重力wb、流對(duì)顆粒的拖曳力fDi和顆粒的干涉作用力fhi。結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒受到的有效重力wb的計(jì)算值普遍大于水流對(duì)顆粒的拖曳力fDi和顆粒受到其他顆粒的干涉作用力fhi的計(jì)算值之和。這說明，對(duì)于顆粒粒徑較大時(shí)，式(1)存在不足，方程需要改進(jìn)。分析式(1)可知，顆粒受到的有效重力wb和水流對(duì)顆粒的拖曳力fDi的模型是普遍認(rèn)可，誤差較小。導(dǎo)致式(1)出現(xiàn)偏差可能的原因是所研究的顆粒受到的阻力計(jì)算不完善，還存在額外的未知的阻力。由于該未知阻力的直接確定存在一定困難，考慮到以上所述因素，此處采用在干涉作用力fhi前面添加阻力系數(shù)K的方式，將額外的作用力因素考慮進(jìn)來，即式(1)完善為

wb=fDi+Kfhi

(5)

從式(5)可以得到：

(6)

計(jì)算不同流動(dòng)條件下的wb、fDi和fhi三個(gè)作用力，并將它們帶入式(6)，得到各種條件下阻力系數(shù)K的值，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，除了個(gè)別數(shù)據(jù)外，阻力系數(shù)K的值普遍大于1。參數(shù)(100-C)越大，干涉力修正系數(shù)K的值就越大(見圖3)。同時(shí)，顆粒直徑越大，干涉力修正系數(shù)的值就越大。圖4表明，隨著水流平均速度Vm的增大，K的值也增大。系數(shù)K和d/D大致關(guān)系如圖5所示，當(dāng)顆粒濃度為11%時(shí)，顆粒直徑和管道直徑的比值越大，系數(shù)K值就越大。

(7)

式(7)中：a、b、c和d為待定系數(shù)。

用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，可以確定式(7)的待定常數(shù)，從而得到的阻力系數(shù)K的表達(dá)式為

(8)

利用式(8)計(jì)算K最大相對(duì)偏差為4.8%， 說明該公式在顆粒粒徑為0.5～4.5 mm， 密度為2 650 kg/m3，漿體體積濃度為4.7%～40%的條件下是較為準(zhǔn)確的。

將式(8)帶入式(5)，再次進(jìn)行流態(tài)化情況下顆粒受力的平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，不考慮干涉力修正系數(shù)K時(shí)(即K=1)，顆粒受到的干涉力fhi的值大都小于顆粒有效重力wb和顆粒所受拖曳力fDi之差。考慮干涉力修正系數(shù)K后，式(5)可以滿足流態(tài)化條件下力的平衡。

額外阻力產(chǎn)生的可能原因是，由于顆粒直徑較大，顆粒后方出現(xiàn)了漩渦，導(dǎo)致粗顆粒受到水流的額外阻力作用，而以上的計(jì)算證明了這種額外阻力的存在。目前，關(guān)于這種額外阻力產(chǎn)生的原因的研

究還不夠，因此，作者通過修正粗砂顆粒所受干涉力，間接地對(duì)這種額外作用力進(jìn)行了初步研究，更深層次的研究還有待進(jìn)行。

對(duì)于密度變化的物料，式(7)顯然是不合適的，需要考慮密度因素的影響。這方面的研究，還需要進(jìn)一步進(jìn)行。

4 粗顆粒流態(tài)化懸浮額外阻力模型

粗顆粒流態(tài)化懸浮額外阻力是由尾流阻力引起的，在流體力學(xué)中，該阻力是由于剪應(yīng)力使流線偏離無粘性流動(dòng)的流線，有時(shí)會(huì)完全脫離物體而產(chǎn)生的。流線的這種偏離，使物體的其余部位壓力較小。因此，顆粒前部所受壓力大于尾部，于是就形成了一個(gè)向后的凈作用力。根據(jù)前面的計(jì)算，粗砂顆粒流態(tài)化懸浮額外阻力可以用下式表示：

(9)

式(9)中的Fhi與式(1)、式(4)～式(6)中的fhi區(qū)別在于，前者是基于fhi平均意義的值。

從式(8)可以看出，水流上升平均速度Vm的值對(duì)額外阻力Fhi有重要影響，它們之間的關(guān)系如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著垂直上升水流平均速度Vm的增大，額外阻力Fhi的值呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，且顆粒直徑越大，這個(gè)趨勢(shì)越明顯。這與式(5)反映的規(guī)律是一致的。

從圖8可以看出，顆粒粒徑d越大，額外阻力Fhi的值越大。即，粗顆粒相對(duì)于細(xì)顆粒，由于尾流引起的額外阻力更明顯。

5 結(jié)論

1) 采用垂直管道流態(tài)化實(shí)驗(yàn)，研究了粒徑顆粒直徑分別為0.5mm、1.2mm、2mm、3.3mm和4.5mm的粗砂流態(tài)化過程中，水流上升平均速度Vm增大，顆粒的濃度C會(huì)逐漸變小，顆粒間的水流速度Vi呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；

2) 通過對(duì)處于流態(tài)化狀態(tài)顆粒的力平衡公式的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)粗砂顆粒除了受有效重力、拖曳力和顆粒間的干涉作用力以外，還受額外阻力作用。

3) 提出了采用干涉力前添加額外阻力系數(shù)來描述該額外阻力的方法，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明：該阻力系數(shù)與顆粒濃度、上升水流平均速度以及顆粒粒徑與管道直徑的比值有關(guān)。

4) 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，給出了阻力系數(shù)的表達(dá)式，并進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，額外阻力Fhi隨水流上升平均速度Vm的增大而減小，隨顆粒粒徑d的增大而增大。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Research of Coarse Sand Particle Suspension Extra Resistance in Fluidization State

WANG Tie-li

(Department of Coal Pipeline Transporting, Wuhan Design and Research Institute Co., LTD, China Coal Technology and Engineering Group, Wuhan Hubei 430064, China)

The researching about Forcing analysis of particle is very important in coarse particles pipeline transportation. Forcing research of particles in fluidization state is an effective method. In order to study coarse sand particle resistance of the rising flow in fluidization conditions, the article toughing the experimental method analyzed coarse sand particle resistance of the vertical rising flow. The studying particle sizes are 0.5mm, 1.2mm, 2mm, 3.3mm and 4.5mm. The results of experimental data showing there is additional resistance to coarse sand particles. It used a kind of method adding additional drag coefficient forward interference force to show the extra resistance. By fitting the experimental data, the extra resistance formula and the relationship between additional resistance, average velocity of the rising flow and the diameter of particle were obtained.

pipeline transportation; extra resistance; fluidization; coarse sand particle; average velocity; diameter of particle

2014-08-02

中煤科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金青年基金資助項(xiàng)目(2014QN040)

王鐵力(1982-)，男，黑龍江佳木斯人，工程師，碩士，研究方向：漿體管道輸送設(shè)計(jì)。

U171

A

1672-1098(2015)02-0043-05