管道水力輸送中料筒起動流速的試驗分析.docx

1、第38卷第5期2007年9月Vol.38No.5Sep.2007太原理工大學學報JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY文收稿日期,2006-12-05金項目：國家自然科學基金資助項目（50579044）作者前介：全炳欣（1980），女，湖北荊門人，碩士，主要從事水力學及河流動力學研究，（Tel訊KMA：孫西歡，教授，博士生導師.（Tel號：1007-9432(2007)05-0412-03管道水力輸送中料筒起動流速的試驗分析全炳欣，孫西歡（太原理工大學水利工程學院，山西太原030024）摘要：以筒裝料管道

2、水力榆送中料筒起劫階段為研究對史，研究料簡起劫時承擔輸運任務的水流的平均流速與料簡荷聳間的內在聯(lián)系。給出了4種不同幾何參數的料筒，在不同荷重下的起動流速.得出料筒的起動流速與荷重成正比變化；在荷重和筒長相同的情況下，較大立徑的料筒史容易起動'在荷食和料筒直徑相同的情況下，較長長度的料簡史容易起動。以上姑果可供后續(xù)研充和工程設計時參考.關詞：管道蛤送，料筒，起劫流速中圖分類號:TV134文獻標識碼：A管道水力輸送在水利工程和石油化工等部門中得到廣泛的應用，在此基礎上發(fā)展起來的物料管道輸送，也有了長足的發(fā)展。物料管道輸送主要有漿料輸送、散料輸送、型料輸送和密封容器輸送等幾大類。就密封容器這

3、類管道輸送的運行過程而言，可分為起動階段、正常輸運階段和停止階段。在不同階段中，容器（本文稱料簡）的運動性狀，對有壓管道內承擔輸送任務流體的流場擾動.料筒與流體間的相互作用及能耗等諸多方面是各不相同的。筆者以料筒起動階段為對象，研究了4種幾何參數的料筒在起動時水流速與荷重、料筒幾何形狀等因素的內在聯(lián)系，一方面為密封容器管道輸送的其他階段特性研究做好準備，另一方面也是為這類管道輸送所涉及的工程問題的深入研究提供試驗依據。1試驗簡介1.1試驗系統(tǒng)與裝置試驗系統(tǒng)是由內徑100mm,壁厚5mm的有機玻璃圓管通過法蘭連接而成的試驗管道，管道全長約33m。試驗管道供水先由水泵將水由地下水庫抽入輸水鋼管，通

4、過閥門調節(jié)流髭，將水輸入集水箱，再由集水箱流入進水池，然后進入有機玻璃管道，再經出水池至地下水庫形成一個回路。料筒起動流速試驗段距管道入口4m。試驗系統(tǒng)布置見圖1所示。1.2料筒結構與參數料筒主要由三部分構成，見圖2。1）簡身。本試驗采用圓柱形，全部用有機玻璃制作，其尺寸和容積大小，根據試驗需要，同時也考慮輸送物料的要求，在試驗中制作了四種不同尺寸的料筒，見表1。表1料筒結構參數外徑/mm筒長/mm扭轉布/（）葉高/mm設計間Kt/mma6015021132b7015024132c6020024132d70200241322）支腳與滾珠。用于支摞料筒，以使料筒與輸送管道管壁接觸時產生滾動摩擦，

5、而在較大輸送量時，料筒會懸浮于輸送流體中。支腳滾珠與輸送管道管壁間會有定間隙，極限情況時，料筒中心線與管道中心線重合，此時的間隙稱設計間隙，四種料筒的設計間隙如表1所示。3）導葉。在料筒的外壁安裝一定高度且連續(xù)扭轉的導流條，使料筒沿管道軸向運動的同時，產生周向旋轉，關于導流片的選擇、參數確定、安裝和制作等，可參見文獻口-3。2料筒起動的受力分析2.1料筒的起動料筒在有壓管道中輸送物料時，就其輸送過程來講，可分成三個基本階段，即起動階段、正常輸送階段和停止階段，本文研究的是起動階段。靜止料筒在管道內的起動決定于管道流的水動力，此動力包括管道水流作用于料筒的端面推力，作用于筒面剪切力，作用于導葉的

6、推力和剪切力。當管道水流總動力克服料筒支腳與管壁間的接觸摩擦力及料筒表面與水流的粘性摩擦阻力時，靜止料筒即開始運動。此過程中，在料筒將動而未動瞬間料筒的運動稱之為料筒的起動。相應時刻水流的斷面平均速度稱之為料筒起動速度?！恳凰?；2-期門；3】樣測慶管；4-2#測壓管；5-3#測壓管；6-4#測質簪；7-5#測氏管；8-6#測壓管；9-7樣測壓管;10-8#測壓管；11-9#測壓管；12-出水池溢流堰；13-穩(wěn)水榻；14-三角堰；15-回水明渠；16-進水池溢流堰；17-回水地下暗溝1輸送管道；2支腳與滾珠；3一導葉筒身圖2料椅結構示意圖2.2料簡的受力分析料筒未開始運動之前，輸送水流要經過料

7、筒，對料筒的端面和側表面都有作用力。靜止在管道內的料筒受力如下：a. 料筒和荷重自身受到的重力。b. 管底對料筒的支持力。c. 管底對料筒的靜摩擦力。由于荷重，支腳上的滾珠與管壁接觸，產生靜摩擦力，其方向與前兩力相反，屬于阻力。d. 管流作用于料筒端面和導葉上的與來流方向平行的壓差力，此壓差力也即為水流作用于料筒端面上的推力，料筒端面上水流推力是動力。e. 管流作用于料筒圓柱面上和導葉上的切力。由于試驗中所用到的流體是非理想流體，故有粘性存在，當水流流過料筒時，就會對靜止料筒表面產生切應力，其作用方向與料筒表面相切。由于料筒尚未運動，其方向與端面推力一致，亦屬于動力。f. 水流繞流料筒對料筒產

8、生的摩擦阻力和形狀阻力。由于試驗中料筒是圓柱形而且筒身安裝有試驗裝置布管圖導葉，極大地影響了管道中的水流，是非流線型物體，因此水流流過料筒時就會產生繞流。由邊界層理論可知，水流對料筒產生摩擦阻力。當料筒靜止在管道中時，隨著流速的逐漸增大，料筒的尾部會產生漩渦。由于料筒尾部有漩渦發(fā)生以致作用在料筒表面的壓強分布不對稱，使水流方向有壓差產生。這一壓差就是漩渦阻力，也叫壓強阻力或形狀阻力。g.垂直于來流方向的升力。由于圓柱形的料筒和料筒上導葉的存在，環(huán)隙流作用在導葉的凹葉面和凸葉面產生了作用方向與料筒表面成環(huán)向的動水壓強，使料筒產生了升力。綜上所述，料筒受到的摩擦力、重力、支持力與荷重有關，而推力、

9、切力、摩擦阻力、形狀阻力和升力則與料筒的受力與料筒形狀和尺寸有密切關系，后文將深入論述。3不同結構參數下料筒的起動流速靜止料筒在管道內的起動速度，不僅和管道平均流速緊密相關，而且和流體密度、料筒形狀、荷重以及輸送管道直徑緊密相關。以下是上述四種方案a,b,c,d情況下，起動流速與荷重、料筒直徑、料筒長度以及筒長和直徑綜合比較之間的關系。3.1起動流速與荷重的關系試驗結果表明，料筒的起動流速是隨料筒荷重增加而增大，見圖3,曲線Q,b,C,d°因為料筒的荷重越大，其起動時需要的能量越大，由上文料筒的受力分析也可以看出，料筒載荷越重，水平方向上要克414太原理工大學學報第38卷服的摩擦力和

10、垂直方向上所要克服的重力也越大，而同樣的料筒靜止時受到的動水壓力差、升力、形狀阻力等是相等的，故料筒載荷越重，起動時所需要的起動能量也越大，即流量和水頭差越大，也就是水流提供的動力也越大，因此起動流速也越大。又因為無論推力（動水壓力差）還是切力，都是與流速成正比的，所以載荷增加，水流提供的動力增加，從而起動的水流速增加就是必然的了。圖3料筒起動流速與荷及輯簡幾何尺寸的關系各料筒起動流速與荷重曲線的擬合曲線和相關系數如表2所示。衰2各料筒起動流速與荷曲線的擬合曲線和相關系故3.2起動流速與料筒直徑的關系筒號擬合曲線相關系9HR2ay=0.102lx-0.3855R2=0.9977by=0.088

11、9工一0.4854R2=o.9983cy=0.1196工一0.6465R2=1d0685x0.4983R2=o.9972在保證荷重和料筒長度及附屬構件不變的情況下，料筒直徑增加，則起動流速隨之減小，見圖3曲線a與Z>,c與L圖中曲線是在料筒長度都為150mm,曲線c,d是在料筒長度都為200mm時，當荷重相同時，料筒外徑從60mm增加到70mm的情況。從表2中各相對應的擬合曲線斜率k（y=婦:+B）值可以看出，在同樣荷重時.大直徑料筒的起動流速小的多。與起動流速與荷重的關系類似，水流提供的推力和切力除與水流速度成正比外,亦與對料筒的作用面積成正比當直徑增加時.料筒端面面積和側面面積都要增

12、加，在同樣荷重相同條件下，即料筒所受到的阻力相同，而水流提供的動力增加了，維持料筒受力平衡.無論是水平方向上還是垂直方向上需要的總動力是不變的。而總面積增加了，單位面積所需要的起動能量就會減小。因此料筒起動時所需要的起動能量，即流髭和水頭差減小了.也即水流速度也就不需要那么大了。同時料筒的半徑越大，在管道半徑一定的情況下.管道的環(huán)形縫隙面積將會減小，環(huán)隙流速將會很大，料筒受到的水流推力也將很大，在水平方向上將很快起動。另一方面，荷重一定的條件下，半徑越大，相同長度下的料筒體積就越大，則料筒與輸送液體的相對密度減小，所受到的浮力就越大，在垂直方向上就不需要那么大的升力促使料筒起動。因此在保證載荷

13、和料筒長度及附屬構件不變的情況下，料筒直徑增加，則起動流速隨之減小。3.3起動流速與料筒長度的關系在荷重和料筒直徑不變條件下，增加料筒長度，則起動流速亦隨之下降，見圖3曲線。與C0與d。圖中曲線a,c是在料筒直徑都為60mm,曲線b,d是在料筒直徑都為70mm時，當荷重相同時，料筒長度從150mm增至200mm的情況。從表2中各相對應的擬合曲線斜率k值可以看出，同樣條件下，起動流速也全面下降，但降幅小于料筒直徑增加時的情況。原因也是雖然直徑不變，但長度的增加使側面面積增加，增大了水流對料筒的切力，要使料筒從靜止狀態(tài)起動，在受到的阻力不變的情況下，需要的動力是一定的，因此起動時單位面積所需要的起

14、動能量就會減小，從而使流速下降。另一方面料筒長度的增加，使其上的導葉長度也隨之增長,受到的升力增大了，從而摩擦力也隨之減小。因此在其它條件不變的情況下，起動流速隨著長度的增加而下降，只是同樣條件下沒有直徑增加時降幅大。3.4起動流速在料筒直徑和長度同時增加時的變化在荷重不變條件下，將料筒直徑從60mm增至70mm,長度從150mm增至200mm,即圖3曲線a與d,此時水流速同樣下降，但降幅為最大。從表2中各相對應的擬合曲線斜率k值可以看出，此時直徑和長度同時增加,使料筒端面積和側面積同時增加，在同樣荷重情況下，就比直徑和長度單一增加時，促使起動流速有更大幅值的下降。4結語通過試驗和分析，關于筒

15、裝料管道輸送的起動流速可得到如下結論：1）料筒的起動流速與荷重成正比變化，即起動流速隨著荷重的增加而增加。2）在荷重和筒長相同的情況下，較大直徑的料筒更容易起動。3）在荷重和料筒直徑相同的情況下，較長長度的料筒更容易起動。4）試驗中料筒由于獨特的外形特征在管道輸送中大大地減少了輸送過程中對管壁的摩擦，使之起動更容易。（下轉第419頁）419曾玉濤：單要素模期推理模型在轉流域水庫引水調度中的運用研究參考文獻：1 陳守煜.水利水文水資源與拜境模朔集分析M.大連，大連T.學院出版社.1987,2 王本德.水文中長期預報模棚數學方法M.大連：大連理工大學出版社,1993.3 馮德益，樓世博.模朝數學方

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17、iversionfromLuanRivertoTianjin,theauthorbringsforwardconsideringforecastedfutureincomingwater,combiningwithhydrographicmid-longtermforecastedmethodandbuildingdeductionequationtoascertainwatersupplyofnextmonth.Singlefactorfuzzymethodisusedfor,andthecomputationtimeisamonth.Inthisway»itcangetcerta

18、inaccuracyforecastedincomingwatera-mount,andthuscanprovidereferrencefordispatcher.Keywords：watertransfer；mid-longtermforecasting；singlefactorfuzzymethod（編輯：賈麗紅）（上接第414頁）參考文獻1 孫西歡.水平軸圓管螺旋流水力特性及固料懸浮機理試驗研究D.西安：西安理工大學.2000.2 孫雪嵐.局部起旋器的流場特性研究D.太原，太原理工大學,2003.3 張紅尷.局部起旋式圓管爆旋流三維湍流的試驗研究及數值模擬D.太原：太原理工大學，2004.4 吳持恭.水力學M.北京：高等教育出版社，1998.5 孔瓏.工程流體力學M.北京：中國電力出版社，1998.AnalysisonIncipientVelocityofTube-containedRawMaterialinPipelineHydraulicTransportationQUANBing-xin,SUNXi-huanCollegeofWaterResourcesandEngineeringofTUT,Taiyuan030024,Ch:na）Abstract:Thearticlestudies