有壓管道內(nèi)串列管道雙車的運(yùn)移速度

賈曉萌，孫西歡，李永業(yè)

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

傳統(tǒng)運(yùn)輸方式因其資源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重、運(yùn)輸成本高等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)所提倡的節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，因此發(fā)展新型運(yùn)輸方式勢(shì)在必行[1-2].而筒裝料管道水力輸送技術(shù)因其環(huán)境污染小、所需人力少、占地資源少等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求.筒裝料管道水力輸送技術(shù)是對(duì)囊體管道水力輸送技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)，通過在料筒兩端添加支撐體使管道車在管道內(nèi)做同心運(yùn)動(dòng)，避免了料筒和管道內(nèi)壁的碰撞，降低了管道車與管壁之間的摩擦.經(jīng)過數(shù)十年的研究與發(fā)展該技術(shù)已經(jīng)取得了一定的理論和成果.

ZHANG等[3]建立了單個(gè)管道車在管道中做同心水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算管道單車的運(yùn)行速度并推導(dǎo)出相應(yīng)壓降公式，并通過相應(yīng)的物理試驗(yàn)驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)[4-5]對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的管道單車所形成的同心環(huán)狀縫隙流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了環(huán)狀縫隙內(nèi)流速和壓強(qiáng)的分布規(guī)律.ASIM等[6]分別對(duì)單個(gè)管道車在平直管道和彎管處運(yùn)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，參考數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)管道車輸運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化.文獻(xiàn)[7-9]對(duì)不同雷諾數(shù)、徑長(zhǎng)比和荷重條件下單個(gè)管道車運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行了研究，得出不同工況條件下管道車運(yùn)移速度和管道內(nèi)壓力變化規(guī)律，并計(jì)算了相應(yīng)的能耗損失.張春晉等[10]對(duì)不同導(dǎo)流條安放角下的管道車動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)流條安放角的不斷增大，動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙內(nèi)流速和壓強(qiáng)值均呈現(xiàn)出逐漸增大變化趨勢(shì).隨著對(duì)單個(gè)管道車研究的不斷深入和完善，學(xué)者們逐漸將工作重心轉(zhuǎn)向管道雙車的研究.吳劍等[11]對(duì)不同車間距條件下靜止管道雙車的車間軸向流速進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著車間距的不斷增大，車間軸向流速逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)車間距為90cm時(shí)，雙車之間的相互影響可以忽略.JIA等[12]對(duì)不同車間距下靜止管道雙車的水力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙車間距大于4倍的車身長(zhǎng)度后，管道雙車之間的相互影響可忽略不計(jì).根據(jù)目前研究成果，筒裝料管道水力輸送技術(shù)的研究大多集中于單車的車速、流場(chǎng)以及能耗等方面，且對(duì)于管道雙車的研究也都集中在靜止?fàn)顟B(tài)下的流場(chǎng)分布變化，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的管道雙車的研究?jī)?nèi)容鮮有報(bào)道.

管道車作為筒裝料管道水力輸送的核心部件,其輸送速度的快慢及穩(wěn)定性對(duì)筒裝料管道水力輸送的技術(shù)研究至關(guān)重要，管道車速度直接決定著輸送物料的數(shù)量并進(jìn)而影響到筒裝料管道水力輸送的輸送效率.因此，文中通過物理模型試驗(yàn)對(duì)影響管道雙車運(yùn)移速度的各因素進(jìn)行研究，并分析各因素對(duì)管道車運(yùn)移速度的影響程度，從而為管道雙車結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，為尋求該技術(shù)所要求的最佳輸送速度提供一定的理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方案

1.1 管道車結(jié)構(gòu)

管道車模型主要由料筒、支撐體2部分組成，具體如圖1所示.料筒用于盛放物料，一般為圓柱體結(jié)構(gòu)，用和管道相同材料的有機(jī)玻璃制成.在管道車兩端每隔120°裝有一個(gè)不銹鋼材質(zhì)構(gòu)成的支撐體，前后共6個(gè)支撐體，支撐體用來保證管道車在管道中做同心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)減小管道車與管壁的碰撞和摩擦.為了保持管道雙車在運(yùn)行過程中的車間距不變，試驗(yàn)在雙車之間添加輕質(zhì)彈簧，用于確定雙車之間的間距.試驗(yàn)過程中為了避免彈簧拉伸和壓縮，減少?gòu)椈蓪?duì)雙車之間流場(chǎng)的影響，同時(shí)又能確保管道雙車順利駛過彎道，選取線徑為1 mm，外徑為5 mm的彈簧進(jìn)行連接.

圖1 管道雙車設(shè)計(jì)Fig.1 Two-pipe line vehicles design

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置、投放和接收裝置以及測(cè)試裝置4部分構(gòu)成，如圖2所示,動(dòng)力裝置為離心泵；調(diào)節(jié)裝置則由閘閥和電磁流量計(jì)組成；測(cè)試裝置包括紅外線計(jì)時(shí)器.試驗(yàn)管路總長(zhǎng)24.7 m，管道內(nèi)徑100 mm，由透明有機(jī)玻璃管構(gòu)成.試驗(yàn)管路分為前部直管段、彎管和后部直管段，前部直管長(zhǎng)為7.5 m，后部直管段長(zhǎng)10.8 m，彎管長(zhǎng)為3.1 m.

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system

試驗(yàn)開始前先將水箱注滿水，啟動(dòng)離心泵將水箱中的水注入管道中，調(diào)節(jié)閘閥將流量控制在20 m3/h之下，之后通過投放裝置將管道雙車注入管道內(nèi)，再次調(diào)節(jié)閘閥達(dá)到試驗(yàn)所需流量值，等管道內(nèi)水流穩(wěn)定后啟動(dòng)管道車制動(dòng)裝置，管道車在水流推動(dòng)下在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)管道車經(jīng)過第一個(gè)紅外線探頭時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)管道車經(jīng)過第二個(gè)紅外線線探頭時(shí)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，最后根據(jù)速度公式求取管道雙車的運(yùn)移速度.

1.3 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)變量較多，每次控制單一變量，多次試驗(yàn)求取平均值.試驗(yàn)變量包括管道車尺寸l×D(D為單個(gè)管道車直徑，l為單個(gè)管道車車長(zhǎng))，雷諾數(shù)Re，輸送荷重m以及雙車車間距L.管道車尺寸l×D分別為100 mm×80 mm，100 mm×70 mm，100 mm×60 mm，150 mm×80 mm，150 mm×70 mm，150 mm×60 mm；雷諾數(shù)Re為115 513，154 018，192 522， 238 107，對(duì)應(yīng)的流量分別為30，40，50，60 m3/h.輸送荷重m分別為400，600，800，1 000，1 200，1 600， 2 000 g.管道雙車間距L分別為50，100，150，200， 250，300 mm.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 雷諾數(shù)對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響

當(dāng)管道尺寸和荷重一定時(shí)，雷諾數(shù)變化會(huì)引起管道內(nèi)流量的改變，而流量的變化則會(huì)使管道內(nèi)壓力發(fā)生變化，從而對(duì)管道車的受力狀況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響管道雙車的運(yùn)移速度.因此，以型號(hào)為150 mm(l)×70 mm(D)，荷重為600 g，車間距為100 mm的管道雙車為例，分析其在不同雷諾數(shù)下的運(yùn)移速度變化，具體如圖3所示.

圖3 不同雷諾數(shù)下管道雙車運(yùn)移速度圖Fig.3 Moving speed of two-pipe vehicles under different Re

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他變量保持不變時(shí)，隨著雷諾數(shù)的增大，管道雙車的運(yùn)移速度也逐漸增大，且管道雙車運(yùn)移速度與雷諾數(shù)呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系.這主要是由于管道雙車在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的主要?jiǎng)恿碓从诠艿纼?nèi)水流的壓力，而隨著雷諾數(shù)的不斷增大，管道內(nèi)壓力也逐漸增大，則管道雙車動(dòng)力也逐漸增大；雖然隨著雷諾數(shù)的增大，管道雙車所受阻力也逐漸增大，但是阻力隨雷諾數(shù)的增大程度小于壓力的增大程度，所以管道雙車所受總動(dòng)力隨雷諾數(shù)增大是呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，因此管道雙車的運(yùn)移速度隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸增大.

2.2 管道車尺寸對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響

管道車的尺寸主要是指管道車的直徑D和車身長(zhǎng)度l，管道車尺寸的變化會(huì)使管道雙車的受力面積發(fā)生改變，進(jìn)而影響管道雙車的受力，最終導(dǎo)致管道雙車運(yùn)移速度也發(fā)生改變.因此，試驗(yàn)選取管道雙車荷重為400 g，車間距為100 mm，流量為40 m3/h時(shí)，不同尺寸下管道雙車運(yùn)移速度的變化情況進(jìn)行研究，具體如圖4所示.

從圖4中可以看出，不同尺寸下的管道雙車運(yùn)移速度各不相同.當(dāng)其他變量保持不變時(shí)，隨著管道車直徑D的不斷增大，雙車的運(yùn)移速度也逐漸增大.這主要是由于管道雙車前后端面所受的壓差力為其運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，由?1)可知壓差力與管道車前后端面的面積成正比，所以隨著直徑的增大，管道雙車所受壓差力逐漸增大；同時(shí)根據(jù)式(2)可知，當(dāng)管道雙車直徑增大時(shí)，管道雙車所受浮力也增大，而當(dāng)輸送荷重一定時(shí)，浮力的增大導(dǎo)致管道車所受摩擦力降低，因此隨著管道車直徑的增大，管道雙車所受總動(dòng)力也逐漸增大，管道雙車的運(yùn)移速度也增大.

Fp=Δp·Ac=Δp·πD2/4，

(1)

Ff=μFg=μ(mg-Fv)，

(2)

式中：Fp為管道車前后端面壓差力；Δp為前后端面的壓強(qiáng)差；Ac為管道車端面面積；Ff為管道雙車所受摩擦力；μ為摩擦阻力系數(shù)；Fv為管道雙車所受浮力；m為荷重.

圖4 不同尺寸下管道雙車運(yùn)移速度圖Fig.4 Moving speed of two-pipe vehicles under different sizes

從圖4中還可以看出，當(dāng)其他變量保持不變時(shí)，車身長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管道雙車的運(yùn)移速度也較快.由于試驗(yàn)過程中環(huán)狀縫隙流流速大于管道車運(yùn)移速度，因此環(huán)狀縫隙流對(duì)管道車表面的剪切力為動(dòng)力.根據(jù)式(3)可知，當(dāng)管道車車身長(zhǎng)度增加，車身壁面所受剪切力也增大，同時(shí)由于車身長(zhǎng)度的增加，管道車的體積增大，浮力也隨之增大，管道雙車所受摩擦阻力降低，因此管道雙車的總動(dòng)力增加，管道雙車的運(yùn)移速度也增大.

Fτ=A′·τ=πDl·λρ(va-vc)2/8,

(3)

式中：A′為管道車側(cè)面積；Fτ為管道車側(cè)壁面所受剪切力；τ為管道車側(cè)面所受切應(yīng)力；λ為流動(dòng)阻力系數(shù)；ρ為水的密度；va，vc分別為環(huán)狀縫隙流流速和管道車運(yùn)移速度.

2.3 輸送荷重對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響

輸送荷重的多少一直是筒裝料管道水力輸送技術(shù)關(guān)心的另一個(gè)重點(diǎn).當(dāng)荷重過大時(shí)，雖然一次性可輸運(yùn)較多的物料，但是其運(yùn)輸速率降低；而當(dāng)荷重較小時(shí)，一次性輸送物料的重量減少，但是其運(yùn)輸速率提高.因此，文中以型號(hào)為150 mm(l)×80 mm(D)，輸送流量為40 m3/h，車間距為100 mm的管道雙車為例，研究不同荷重對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響，具體如圖5所示.

圖5 不同荷重下管道雙車運(yùn)移速度圖Fig.5 Moving speed of two-pipe vehicles under different loads

從圖5中可以看出，隨著輸送荷重的增大，管道雙車的運(yùn)移速度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì).這主要是由于當(dāng)管道雙車尺寸一定時(shí)，管道雙車所受壓差力和浮力均保持不變，根據(jù)式(2)可知，當(dāng)荷重增加后，管道雙車所受摩擦阻力增大，進(jìn)而使得管道雙車所受的總動(dòng)力值降低，因此，管道雙車的運(yùn)移速度隨之降低.從圖中還可以看出，以荷重1 200 g為分界點(diǎn)，當(dāng)輸送荷重小于1 200 g時(shí)，管道雙車的運(yùn)移速度隨荷重增大時(shí)的降低速率較快，即曲線斜率較大，而當(dāng)輸送荷重大于1 200 g后，管道雙車的運(yùn)移速度隨荷重增大時(shí)的降低速率變小，即曲線斜率較小.

2.4 不同車間距對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響

當(dāng)管道雙車之間的間距不同時(shí)，雙車之間的相互影響程度也會(huì)不同，進(jìn)而也會(huì)對(duì)雙車的運(yùn)移速度產(chǎn)生影響.因此文中以車型為150 mm(l)×70 mm(D)，輸送流量為40 m3/h，荷重為400 g的管道雙車為例，研究不同車間距對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響，具體如圖6所示.

圖6 不同車間距下管道雙車的運(yùn)移速度圖Fig.6 Moving speed of two-pipe vehicles under different vehicle spacing

從圖6中可以看出，隨著管道雙車車間距的不斷增大，管道雙車的運(yùn)移速度呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，且不同車間距下的管道雙車運(yùn)移速度小于單個(gè)管道車(車間距為0時(shí))在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的速度.這主要是由于當(dāng)管道雙車在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)，水流經(jīng)歷了“滿管-環(huán)狀縫隙-車間-環(huán)狀縫隙-滿管”的流動(dòng)過程，能耗損失比單個(gè)管道車在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的大，管道雙車所獲得的動(dòng)能要小于單個(gè)管道車的，因此使得管道雙車的運(yùn)移速度小于相同工況下的單個(gè)管道車運(yùn)移速度.當(dāng)管道雙車間距較小時(shí)，所形成的車間空間也較小，水流自環(huán)狀縫隙進(jìn)入車間之后流速迅速發(fā)生改變，水流與管道車之間的相互作用也較為劇烈，因此造成的能耗損失也較大，進(jìn)而使得管道車的運(yùn)移速度較低，而隨著車間距的逐漸增大，水流進(jìn)入車間后與兩車的相互作用逐漸減弱，能量損失也隨之降低，管道雙車的運(yùn)移速度也逐漸增大.當(dāng)車間距在50～150 mm時(shí)，隨著車間距的增大，管道雙車的運(yùn)移速度增長(zhǎng)較快，而當(dāng)車間距在150～250 mm時(shí)，隨著車間距的增大，管道雙車的運(yùn)移速度增長(zhǎng)較慢，之后隨著管道雙車間距的進(jìn)一步增大，管道雙車之間的相互作用幾乎可以忽略不計(jì)，可將管道雙車在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)看成是單個(gè)管道車的運(yùn)動(dòng)，雙車的運(yùn)移速度也向單個(gè)管道車在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的速度轉(zhuǎn)變.

3 各因素對(duì)管道雙車運(yùn)移速度影響

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，管道雙車的運(yùn)移速度受到管道車直徑、車身長(zhǎng)度、雷諾數(shù)、輸送荷重以及車間距的影響.為了探究這5個(gè)因素對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響程度，采用多元回歸分析中的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)法進(jìn)行分析.

對(duì)于隨機(jī)變量Y來說，受到m個(gè)自變量X1，X2，…，Xm的共同影響，試驗(yàn)樣本容量為n.記Xik表示自變量Xi在第k次試驗(yàn)時(shí)的取值，Yk表示隨機(jī)變量Y在第k次試驗(yàn)的結(jié)果，如果Y和Xi之間存在線性關(guān)系，則回歸方程可記為

Y=a+b1X1+b2X2+…+bmXm.

(4)

公式(4)中的回歸系數(shù)bi由下列方程組求出：

(5)

為了消除試驗(yàn)過程中自變量所取單位的影響，Y對(duì)Xi的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)b′i與Y對(duì)Xi的回歸系數(shù)bi之間的關(guān)系式為

(6)

經(jīng)過式(6)的處理，標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)b′i與Y及Xi所取單位無關(guān)，因而可以直接進(jìn)行比較.|b′i|值越大，Xi對(duì)Y的影響就越大.

依據(jù)上述理論，試驗(yàn)相關(guān)數(shù)學(xué)模型為

(7)

管道車直徑D取60，70，80 mm, 管道車長(zhǎng)度l取100和150 mm，雷諾數(shù)取為115 513，154 018，192 522，輸送荷重m取400，600，800 g，管道雙車車間距L取50，100，150 mm，5個(gè)變量?jī)蓛烧唬囼?yàn)次數(shù)為162次，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算管道雙車的平均運(yùn)移速度.將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入相關(guān)方程，求解得到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)b′i依次為b′1=0.302 00，b′2=0.115 00，b′3=0.935 00，b′4=-0.093 80，b′5=-7.85×10-4，由此可知|b′3|>|b′1|>|b′2|>|b′4|>|b′5|

通過標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)法的計(jì)算可知，雷諾數(shù)Re，管道車直徑D，車身長(zhǎng)度l，輸送荷重m，雙車車間距L對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響程度依次降低.

觀念攝影在裝置作品中的應(yīng)用越來越普遍，而且，隨著攝影設(shè)備的更新發(fā)展，圖像質(zhì)量越來越高。法國(guó)藝術(shù)家首次提出了在裝置作品中應(yīng)用觀念攝影藝術(shù)品，其首次設(shè)計(jì)的藝術(shù)品與一般的攝影作品相比更具有獨(dú)特性。一般的攝影技術(shù)中，由于圖片是單面的，所以對(duì)于場(chǎng)地的選擇非常嚴(yán)格，并且還限制了人們對(duì)作品的想象和觀看，因此，通過攝影作品和裝置的結(jié)合，就極大的融合了多種不同空間、不同時(shí)間等，對(duì)于作品內(nèi)涵的表達(dá)有很大幫助。就現(xiàn)在觀念攝影在裝置方面的分類，主要包括更好的刻畫圖片的內(nèi)涵的圖片為主，實(shí)物為輔類；分散或者依附于實(shí)物表面的實(shí)物和場(chǎng)景為主類；單純依賴于圖片相互之間的空間關(guān)系的完全脫離實(shí)物類；

由以上分析可以看出管道雙車的運(yùn)移速度受到多個(gè)因素的影響，因此，在以后的試驗(yàn)研究過程中要綜合考慮多方面因素影響，選擇較為合適的管道車尺寸、車間距、雷諾數(shù)以及輸送物料荷重，爭(zhēng)取在獲得較大運(yùn)移速度的同時(shí)消耗較少的能量.

4 結(jié) 論

文中通過物理試驗(yàn)對(duì)影響管道車運(yùn)移速度的各因素進(jìn)行了研究，并采用標(biāo)準(zhǔn)線性回歸分析了各因素對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響程度，所得結(jié)論如下：

1) 管道雙車的運(yùn)移速度隨著雷諾數(shù)的增大而增大，二者呈線性增長(zhǎng)關(guān)系.

2) 不同尺寸下的管道雙車運(yùn)移速度也各不相同，管道車直徑或者長(zhǎng)度的增大，均會(huì)引起管道雙車運(yùn)移速度的增大，這其中型號(hào)為150 mm×80 mm的管道雙車運(yùn)移速度最大.

3) 管道雙車運(yùn)移速度和輸送荷重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著輸送荷重的不斷增大，管道雙車的運(yùn)移速度逐漸降低.

5) 雷諾數(shù)Re，管道車直徑D，車身長(zhǎng)度l，輸送荷重m，雙車車間距L對(duì)管道雙車運(yùn)移速度的影響程度依次降低.