管道水力輸送中料筒起動(dòng)流速的試驗(yàn)分析.docx

1、第38卷第5期2007年9月Vol.38No.5Sep.2007太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY文收稿日期,2006-12-05金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，（Tel訊KMA：孫西歡，教授，博士生導(dǎo)師.（Tel號(hào)：1007-9432(2007)05-0412-03管道水力輸送中料筒起動(dòng)流速的試驗(yàn)分析全炳欣，孫西歡（太原理工大學(xué)水利工程學(xué)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(duì)史，研究料簡起劫時(shí)承擔(dān)輸運(yùn)任務(wù)的水流的平均流速與料簡荷聳間的內(nèi)在聯(lián)系。給出了4種不同幾何參數(shù)的料筒，在不同荷重下的起動(dòng)流速.得出料筒的起動(dòng)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(dòng)'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(dòng)。以上姑果可供后續(xù)研充和工程設(shè)計(jì)時(shí)參考.關(guān)詞：管道蛤送，料筒，起劫流速中圖分類號(hào):TV134文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)用，在此基礎(chǔ)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(yùn)行過程而言，可分為起動(dòng)階段、正常輸運(yùn)階段和停止階段。在不同階段中，容器（本文稱料簡）的運(yùn)動(dòng)性狀，對(duì)有壓管道內(nèi)承擔(dān)輸送任務(wù)流體的流場擾動(dòng).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(dòng)階段為對(duì)象，研究了4種幾何參數(shù)的料筒在起動(dòng)時(shí)水流速與荷重、料筒幾何形狀等因素的內(nèi)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(zhǔn)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(yàn)依據(jù)。1試驗(yàn)簡介1.1試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置試驗(yàn)系統(tǒng)是由內(nèi)徑100mm,壁厚5mm的有機(jī)玻璃圓管通過法蘭連接而成的試驗(yàn)管道，管道全長約33m。試驗(yàn)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(diào)節(jié)流髭，將水輸入集水箱，再由集水箱流入進(jìn)水池，然后進(jìn)入有機(jī)玻璃管道，再經(jīng)出水池至地下水庫形成一個(gè)回路。料筒起動(dòng)流速試驗(yàn)段距管道入口4m。試驗(yàn)系統(tǒng)布置見圖1所示。1.2料筒結(jié)構(gòu)與參數(shù)料筒主要由三部分構(gòu)成，見圖2。1）簡身。本試驗(yàn)采用圓柱形，全部用有機(jī)玻璃制作，其尺寸和容積大小，根據(jù)試驗(yàn)需要，同時(shí)也考慮輸送物料的要求，在試驗(yàn)中制作了四種不同尺寸的料筒，見表1。表1料筒結(jié)構(gòu)參數(shù)外徑/mm筒長/mm扭轉(zhuǎn)布/（）葉高/mm設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，

5、而在較大輸送量時(shí)，料筒會(huì)懸浮于輸送流體中。支腳滾珠與輸送管道管壁間會(huì)有定間隙，極限情況時(shí)，料筒中心線與管道中心線重合，此時(shí)的間隙稱設(shè)計(jì)間隙，四種料筒的設(shè)計(jì)間隙如表1所示。3）導(dǎo)葉。在料筒的外壁安裝一定高度且連續(xù)扭轉(zhuǎn)的導(dǎo)流條，使料筒沿管道軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)，關(guān)于導(dǎo)流片的選擇、參數(shù)確定、安裝和制作等，可參見文獻(xiàn)口-3。2料筒起動(dòng)的受力分析2.1料筒的起動(dòng)料筒在有壓管道中輸送物料時(shí)，就其輸送過程來講，可分成三個(gè)基本階段，即起動(dòng)階段、正常輸送階段和停止階段，本文研究的是起動(dòng)階段。靜止料筒在管道內(nèi)的起動(dòng)決定于管道流的水動(dòng)力，此動(dòng)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(dǎo)葉的

6、推力和剪切力。當(dāng)管道水流總動(dòng)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(shí)，靜止料筒即開始運(yùn)動(dòng)。此過程中，在料筒將動(dòng)而未動(dòng)瞬間料筒的運(yùn)動(dòng)稱之為料筒的起動(dòng)。相應(yīng)時(shí)刻水流的斷面平均速度稱之為料筒起動(dòng)速度?！恳凰?；2-期門；3】樣測(cè)慶管；4-2#測(cè)壓管；5-3#測(cè)壓管；6-4#測(cè)質(zhì)簪；7-5#測(cè)氏管；8-6#測(cè)壓管；9-7樣測(cè)壓管;10-8#測(cè)壓管；11-9#測(cè)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(jìn)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(dǎo)葉筒身圖2料椅結(jié)構(gòu)示意圖2.2料簡的受力分析料筒未開始運(yùn)動(dòng)之前，輸送水流要經(jīng)過料

7、筒，對(duì)料筒的端面和側(cè)表面都有作用力。靜止在管道內(nèi)的料筒受力如下：a. 料筒和荷重自身受到的重力。b. 管底對(duì)料筒的支持力。c. 管底對(duì)料筒的靜摩擦力。由于荷重，支腳上的滾珠與管壁接觸，產(chǎn)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(dǎo)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(dòng)力。e. 管流作用于料筒圓柱面上和導(dǎo)葉上的切力。由于試驗(yàn)中所用到的流體是非理想流體，故有粘性存在，當(dāng)水流流過料筒時(shí)，就會(huì)對(duì)靜止料筒表面產(chǎn)生切應(yīng)力，其作用方向與料筒表面相切。由于料筒尚未運(yùn)動(dòng)，其方向與端面推力一致，亦屬于動(dòng)力。f. 水流繞流料筒對(duì)料筒產(chǎn)

8、生的摩擦阻力和形狀阻力。由于試驗(yàn)中料筒是圓柱形而且筒身安裝有試驗(yàn)裝置布管圖導(dǎo)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(shí)就會(huì)產(chǎn)生繞流。由邊界層理論可知，水流對(duì)料筒產(chǎn)生摩擦阻力。當(dāng)料筒靜止在管道中時(shí)，隨著流速的逐漸增大，料筒的尾部會(huì)產(chǎn)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(qiáng)分布不對(duì)稱，使水流方向有壓差產(chǎn)生。這一壓差就是漩渦阻力，也叫壓強(qiáng)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(dǎo)葉的存在，環(huán)隙流作用在導(dǎo)葉的凹葉面和凸葉面產(chǎn)生了作用方向與料筒表面成環(huán)向的動(dòng)水壓強(qiáng)，使料筒產(chǎn)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(guān)，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(guān)系，后文將深入論述。3不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下料筒的起動(dòng)流速靜止料筒在管道內(nèi)的起動(dòng)速度，不僅和管道平均流速緊密相關(guān)，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(guān)。以下是上述四種方案a,b,c,d情況下，起動(dòng)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(guān)系。3.1起動(dòng)流速與荷重的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果表明，料筒的起動(dòng)流速是隨料筒荷重增加而增大，見圖3,曲線Q,b,C,d°因?yàn)榱贤驳暮芍卦酱螅淦饎?dòng)時(shí)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(xué)學(xué)報(bào)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(shí)受到的動(dòng)水壓力差、升力、形狀阻力等是相等的，故料筒載荷越重，起動(dòng)時(shí)所需要的起動(dòng)能量也越大，即流量和水頭差越大，也就是水流提供的動(dòng)力也越大，因此起動(dòng)流速也越大。又因?yàn)闊o論推力（動(dòng)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(dòng)力增加，從而起動(dòng)的水流速增加就是必然的了。圖3料筒起動(dòng)流速與荷及輯簡幾何尺寸的關(guān)系各料筒起動(dòng)流速與荷重曲線的擬合曲線和相關(guān)系數(shù)如表2所示。衰2各料筒起動(dòng)流速與荷曲線的擬合曲線和相關(guān)系故3.2起動(dòng)流速與料筒直徑的關(guān)系筒號(hào)擬合曲線相關(guān)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(gòu)件不變的情況下，料筒直徑增加，則起動(dòng)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(shí)，當(dāng)荷重相同時(shí)，料筒外徑從60mm增加到70mm的情況。從表2中各相對(duì)應(yīng)的擬合曲線斜率k（y=婦:+B）值可以看出，在同樣荷重時(shí).大直徑料筒的起動(dòng)流速小的多。與起動(dòng)流速與荷重的關(guān)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(duì)料筒的作用面積成正比當(dāng)直徑增加時(shí).料筒端面面積和側(cè)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(dòng)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(dòng)力是不變的。而總面積增加了，單位面積所需要的起動(dòng)能量就會(huì)減小。因此料筒起動(dòng)時(shí)所需要的起動(dòng)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(shí)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(huì)減小，環(huán)隙流速將會(huì)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(dòng)。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(duì)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(dòng)。因此在保證載荷

13、和料筒長度及附屬構(gòu)件不變的情況下，料筒直徑增加，則起動(dòng)流速隨之減小。3.3起動(dòng)流速與料筒長度的關(guān)系在荷重和料筒直徑不變條件下，增加料筒長度，則起動(dòng)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(shí)，當(dāng)荷重相同時(shí)，料筒長度從150mm增至200mm的情況。從表2中各相對(duì)應(yīng)的擬合曲線斜率k值可以看出，同樣條件下，起動(dòng)流速也全面下降，但降幅小于料筒直徑增加時(shí)的情況。原因也是雖然直徑不變，但長度的增加使側(cè)面面積增加，增大了水流對(duì)料筒的切力，要使料筒從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)，在受到的阻力不變的情況下，需要的動(dòng)力是一定的，因此起動(dòng)時(shí)單位面積所需要的起

14、動(dòng)能量就會(huì)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(dǎo)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(dòng)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(shí)降幅大。3.4起動(dòng)流速在料筒直徑和長度同時(shí)增加時(shí)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(shí)水流速同樣下降，但降幅為最大。從表2中各相對(duì)應(yīng)的擬合曲線斜率k值可以看出，此時(shí)直徑和長度同時(shí)增加,使料筒端面積和側(cè)面積同時(shí)增加，在同樣荷重情況下，就比直徑和長度單一增加時(shí)，促使起動(dòng)流速有更大幅值的下降。4結(jié)語通過試驗(yàn)和分析，關(guān)于筒

15、裝料管道輸送的起動(dòng)流速可得到如下結(jié)論：1）料筒的起動(dòng)流速與荷重成正比變化，即起動(dòng)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(dòng)。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(dòng)。4）試驗(yàn)中料筒由于獨(dú)特的外形特征在管道輸送中大大地減少了輸送過程中對(duì)管壁的摩擦，使之起動(dòng)更容易。（下轉(zhuǎn)第419頁）419曾玉濤：單要素模期推理模型在轉(zhuǎn)流域水庫引水調(diào)度中的運(yùn)用研究參考文獻(xiàn)：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(xué)院出版社.1987,2 王本德.水文中長期預(yù)報(bào)模棚數(shù)學(xué)方法M.大連：大連理工大學(xué)出版社,1993.3 馮德益，樓世博.模朝數(shù)學(xué)方

16、法與應(yīng)用M.北京：地震出版社,1983.4 歐春平.智能算法在流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建模中的應(yīng)用及其軟件集成體系M.大連：大連理工大學(xué)出版社,2001.ApplicationofSingleFactorFuzzyDeductionModelinWaterTransferDiversionDispatchCAOYu-taoCollegeofWaterResourceScienceandEngineeringofTUT»Taiyuan030024Abstract：ByreasonofirrationaldiversionwaterofYuqiaoreservoirinProjectWaterD

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(xiàn)1 孫西歡.水平軸圓管螺旋流水力特性及固料懸浮機(jī)理試驗(yàn)研究D.西安：西安理工大學(xué).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(xué),2003.3 張紅尷.局部起旋式圓管爆旋流三維湍流的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬D.太原：太原理工大學(xué)，2004.4 吳持恭.水力學(xué)M.北京：高等教育出版社，1998.5 孔瓏.工程流體力學(xué)M.北京：中國電力出版社，1998.AnalysisonIncipientVelocityofTube-containedRawMaterialinPipelineHydraulicTransportationQUANBing-xin,SUNXi-huanCollegeofWaterResourcesandEngineeringofTUT,Taiyuan030024,Ch:na）Abstract:Thearticlestudies