不同荷載圓柱體在壓力管道中運(yùn)輸?shù)乃μ匦匝芯?/h1>
2018-11-19 09:58:38，，
長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào) 2018年11期
，，
(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.淮河水利委員會(huì)，安徽 蚌埠 233000)
1 研究背景
囊體管道水力運(yùn)輸是一種環(huán)保、節(jié)能、高效安全的運(yùn)輸方式[1]。該輸送方式具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如：用水量很小、能量損耗少、不需要脫水工序、可以運(yùn)輸純料、沒(méi)有污染、占地面積小、固體和液體物料均可輸送等。該輸送方式符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念，是一種節(jié)能環(huán)保的新型管道水力輸送方法[2]。這種運(yùn)送方法既跟傳統(tǒng)的漿體管道水力輸送的方法大相徑庭，也區(qū)別于傳統(tǒng)的型料管道水力運(yùn)送，而對(duì)于長(zhǎng)距離有壓管道充水過(guò)程的研究也對(duì)這種運(yùn)輸方式的運(yùn)用提供了保障[3]，因此囊體管道水利運(yùn)輸是一種新時(shí)代下極有研發(fā)前景的科學(xué)技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[4]。
囊體管道水力運(yùn)輸是一種新型管道水力輸送技術(shù)，對(duì)于該方面的研究還不是很完善。目前一些學(xué)者對(duì)于圓柱體的起動(dòng)條件[5]、圓柱體前后流場(chǎng)特性[6]、圓柱體環(huán)型縫隙水流特性[7]、圓柱體運(yùn)移時(shí)的水力特性以及不同流量[8]及環(huán)隙比條件下圓柱體繞流環(huán)隙流場(chǎng)[9]等進(jìn)行了初步的研究，對(duì)于整個(gè)囊體水力輸送理論系統(tǒng)還有許多需要補(bǔ)充。因此本試驗(yàn)以圓柱體的荷載為控制因子，對(duì)圓柱體在有壓管道運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行探究，并對(duì)不同荷載圓柱體較優(yōu)輸送率進(jìn)行分析，意在優(yōu)化圓柱體結(jié)構(gòu)參數(shù)，為囊體水力輸送投入生產(chǎn)使用起到推動(dòng)作用。
2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 圓柱體結(jié)構(gòu)
本試驗(yàn)所用圓柱體主要由2部分組成：圓柱形主體和支撐。其中料支撐是由在圓柱體的兩端分別安放3個(gè)呈放射狀且間隔為120°的鐵質(zhì)圓柱體組成，在圓柱體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，料筒兩端的圓柱體支撐與管道接觸，保持圓柱形主體與管道同心。圓柱體支撐末端需打磨光滑，以減小圓柱體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與管壁的摩擦。圓柱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1圓柱體結(jié)構(gòu)
Fig.1Structureofcylindricalcapsule
2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)
本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：水源水箱、動(dòng)力設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、輸水管路、投放設(shè)備以及接收設(shè)備。試驗(yàn)所用管道是若干段內(nèi)徑為100 mm的有機(jī)玻璃圓管，各管段之間由法蘭盤(pán)與膠皮粘接，保證其接縫密封不透水。試驗(yàn)時(shí)首先將水箱內(nèi)流量水量補(bǔ)充到合適水量，開(kāi)啟離心泵將水箱內(nèi)水抽至管道內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)閘閥調(diào)節(jié)流量到試驗(yàn)工況，然后操控測(cè)量?jī)x器測(cè)量圓柱體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)試管路內(nèi)的各項(xiàng)水力要素，最后水流再次流入水箱形成循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖2所示。
圖2試驗(yàn)系統(tǒng)布置
Fig.2Arrangementoftestdevices
如圖2所示，本試驗(yàn)管路總體分為3大部分，分別為直管段1、彎管段和直管段2，其中彎管段的轉(zhuǎn)彎半徑為2.87 m。從圓柱體制動(dòng)裝置處到管道出口全長(zhǎng)27.93 m，管路中共設(shè)了5個(gè)測(cè)試斷面，即圖2中的1#，2#，3#，4#，5#斷面。每個(gè)斷面上都連有壓力表，通過(guò)處理器與電腦相連，可以在電腦上監(jiān)測(cè)到圓柱體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)試斷面的壓力變化情況。同時(shí)在1#和5#斷面上安裝光電計(jì)時(shí)器用來(lái)測(cè)量不同荷載圓柱體在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)間。測(cè)點(diǎn)號(hào)及測(cè)點(diǎn)距離如表1所示(距離表示為測(cè)點(diǎn)距圓柱體制動(dòng)裝置處距離)。
表1 測(cè)點(diǎn)及距離Table 1 Distance of measurement pointsto cylindrical capsule
2.3 試驗(yàn)方案
表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes
表3 試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between test parametersand actual parameters
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 圓柱體受力分析
圓柱體在管道中平穩(wěn)運(yùn)移時(shí)的受力主要包括：管道內(nèi)壁對(duì)圓柱體支腳的摩擦力Sc、管壁作用在支腳上的支撐力Nc、縫隙流對(duì)圓柱體車(chē)身的剪切力τ、水流對(duì)圓柱體兩端產(chǎn)生的壓力差ΔP、圓柱體的浮力Fc和圓柱體及其物料的重力Wc(見(jiàn)圖3)。其中圓柱體的體表比和荷載直接影響到圓柱體所受的摩擦力、剪切力、壓差力和浮力，其公式為：
F=Δp+τ-Sc
； (1)
f=μN(yùn)c
； (2)
ΔP=ΔpA車(chē)端
； (3)
。 (4)
圖3圓柱體受力
Fig.3Forcesactingoncylindricalcapsule
式中：F表示圓柱體在管道中受到的沿水流方向的合力；Δp表示圓柱體前后的壓強(qiáng)差；f為圓柱體所受的摩擦力；μ為動(dòng)摩擦系數(shù)；A車(chē)端表示圓柱體在與水流方向垂直的端面上的投影面積；A車(chē)體表示圓柱體的側(cè)面表面積；V2表示圓柱體與管道內(nèi)水流的流速；V3表示圓柱體運(yùn)移的速度；ρ表示運(yùn)輸介質(zhì)的密度；λ表示摩阻系數(shù)。由式(1)—式(4)可以看出圓柱體在管道中所受到的合力與車(chē)型、荷載等因素息息相關(guān)。
3.2 不同荷載對(duì)圓柱體運(yùn)動(dòng)速度的影響
不同荷載圓柱體在流量為50 m3/h和60 m3/h、體表比C為12.5和14.2的情況下，不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移的平均速度v如圖4所示。
圖4圓柱體在不同荷載下的平均速度
Fig.4Averagevelocityofcapsuleunderdifferentloads
從圖4可以看出，在相同體表比和流量下，圓柱體平均速度與荷載基本上呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，并且隨著圓柱體荷載的增加，圓柱體的平均速度減小。這是因?yàn)樵谄渌绊懸蛩夭蛔兊臈l件下，荷載僅影響圓柱體所受的摩擦力。荷載越大，摩擦力就越大，從而圓柱體運(yùn)行的平均速度就越小。
同體表比圓柱體在荷載相同的情況下，其平均速度隨流量的增大而增大。這是因?yàn)樵谄渌绊懸蛩夭蛔兊臈l件下，水流流量會(huì)影響圓柱體兩端受到的壓差力和車(chē)身所受的剪切力。流量增大，壓差力和剪切力都增大，從而圓柱體運(yùn)行的平均速度就越大。
當(dāng)流量和圓柱體的荷載都相同時(shí)，體表比為14.2的圓柱體比體表比為12.5的圓柱體平均速度大。其原因主要是因?yàn)?種體表比圓柱體的差別在于圓柱體的受力面積。在其他影響因素不變的條件下，體表比為14.2的圓柱體受到的沿水流方向的剪切力和壓差力都比體表比為12.5的圓柱體大。因此體表比越大，圓柱體運(yùn)行的平均速度就越大。
3.3 不同荷載圓柱體運(yùn)動(dòng)情況下管道內(nèi)水流的壓力分布
在體表比為12.5、流量為60 m3/h情況下，不同荷載圓柱體運(yùn)移時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化情況如圖5所示，各測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2和表1。
圖5不同荷載圓柱體沿程壓強(qiáng)變化曲線
Fig.5Curvesofpressurechangealongthepipelineunderdifferentloads
從圖5可以看出，整體上，不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)，管道內(nèi)水流的壓強(qiáng)隨著距離增大而下降，且荷載不同并不會(huì)影響這種趨勢(shì)。其主要原因是圓柱體在運(yùn)移時(shí)，管道內(nèi)的能量損失主要分為沿程水頭損失和局部水頭損失，因此當(dāng)管道內(nèi)提供的能量一定時(shí)，水流流速不變壓強(qiáng)會(huì)沿程降低。
從局部上看，管道內(nèi)水流壓強(qiáng)沿程變化曲線大致可以分為3個(gè)部分：第一部分為1#—2#斷面，該段為直管段1，該段的壓強(qiáng)變化曲線較緩，是因?yàn)樵摱蔚哪芰繐p失主要是沿程水頭損失；第二部分為2#—4#斷面，該段為彎管段，其壓強(qiáng)變化曲線較陡，主要原因是該段的能量損失不僅包括沿程水頭損失還包括彎管處的局部水頭損失；第三部分為4#—5#斷面，該段為直管段2，其壓強(qiáng)變化曲線與第一部分相同。
對(duì)于不同荷載圓柱體來(lái)說(shuō)，在其他因素不變的情況下，同一斷面壓強(qiáng)隨著圓柱體荷載的增大而增大。其主要原因是，圓柱體荷載越大其受到的摩擦力也就越大，因此水流流過(guò)圓柱體時(shí)受到的阻力也就越大，因此水流壓強(qiáng)也就越大。
3.4 不同荷載圓柱體單位能耗分析
圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)，其能耗主要分為水流對(duì)圓柱體提供的動(dòng)力和水流與圓柱體及管道內(nèi)壁的摩擦而產(chǎn)生的能量損失2部分。圓柱體的單位能耗即管道內(nèi)產(chǎn)生的總能耗與管道長(zhǎng)度的比值，其中管道內(nèi)總能耗可以用伯努利方程求出，即
(5)
式中：Z表示高程；v表示圓柱體速度；P表示斷面壓強(qiáng)；ρ表示流體密度。
圖6不同荷載圓柱體單位能耗變化
Fig.6Variationofunitenergyconsumptionunderdifferentloads
從圖6可以看出，在圓柱體體表比和荷載一定時(shí)，圓柱體運(yùn)動(dòng)時(shí)的單位能耗隨流量的增大而增大。其主要原因：水流的流量越大，流速就越大，而根據(jù)能量方程可知，沿程水頭損失和局部水頭損失與流速的平方呈正比，所以能耗增加。當(dāng)圓柱體體表比和水流流量一定時(shí)，圓柱體單位能耗隨荷載的增大而增大。其主要原因：當(dāng)圓柱體荷載增大，圓柱體所受的摩擦力也就隨之增大，水流要克服摩擦力做功所消耗的能量就越大，因此單位能耗增加。
3.5 不同荷載圓柱體輸送率探究
本文中定義輸送率為運(yùn)輸距離一定時(shí)，單位時(shí)間單位能耗內(nèi)輸送物料的質(zhì)量。其公式表述為
(6)
式中：η為輸送率(g/(s·cm))；G為物料荷載(g)；T為輸送物料的總時(shí)間(s)；H為輸送物料的單位能耗(m/s2)。
從式(6)中可以得出，輸送率與圓柱體荷載成正比，與輸送時(shí)間與能耗成反比。根據(jù)式(6)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以體表比為12.5的圓柱體為例，得到不同荷載條件下的圓柱體輸送率，見(jiàn)圖7。
圖7不同荷載圓柱體輸送率比較
Fig.7Variationoftransmissionrateunderdifferentloads
由圖7可以看出，當(dāng)流量和體表比一定的情況下，圓柱體的輸送率均隨荷載的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)圓柱體荷載G=4 N時(shí)，圓柱體的輸送率達(dá)到最大。這說(shuō)明在本文所述的試驗(yàn)工況下，圓柱體荷載G=4 N時(shí)，其輸送工況為較優(yōu)的輸送工況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于物料的輸送率是由圓柱體的荷載、運(yùn)移速度和單位能耗這3個(gè)參數(shù)決定的，在試驗(yàn)工況下，當(dāng)荷載較小時(shí)，雖然運(yùn)輸時(shí)間和單位能耗相對(duì)較小，但是根據(jù)公式可求得輸送率并不高，而當(dāng)圓柱體的荷載較大時(shí)，單位能耗和運(yùn)輸時(shí)間相對(duì)較大，由公式可得到輸送率相對(duì)較小。而當(dāng)流量為變量時(shí)，就試驗(yàn)工況的2個(gè)流量比較，流量Q=50 m3/h時(shí)圓柱體在運(yùn)移時(shí)對(duì)于物料的輸送率要稍高于流量Q=60 m3/h的工況，這說(shuō)明在試驗(yàn)工況下，單位能耗對(duì)于圓柱體的輸送率的影響要稍大于圓柱體在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度。
4 結(jié) 論
本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：
(1)在體表比和流量一定的情況下，圓柱體的荷載越大，其在管道中的運(yùn)移速度越小。
(2)管道內(nèi)沿程壓強(qiáng)隨距離逐漸減小，且圓柱體荷載不會(huì)影響其變化趨勢(shì)，同一斷面壓強(qiáng)值隨圓柱體荷載的增大而增大。
(3)在圓柱體的體表比和流量一定的情況下，整個(gè)有壓管道的單位能耗隨圓柱體荷載的增大而增大。
(4)根據(jù)本文所述試驗(yàn)工況，在圓柱體的體表比和流量一定的情況下，圓柱體的輸送率在圓柱體荷載為4 N時(shí)達(dá)到最大，因此該輸送工況較優(yōu)。
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(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.淮河水利委員會(huì)，安徽 蚌埠 233000)
1 研究背景
囊體管道水力運(yùn)輸是一種環(huán)保、節(jié)能、高效安全的運(yùn)輸方式[1]。該輸送方式具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如：用水量很小、能量損耗少、不需要脫水工序、可以運(yùn)輸純料、沒(méi)有污染、占地面積小、固體和液體物料均可輸送等。該輸送方式符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念，是一種節(jié)能環(huán)保的新型管道水力輸送方法[2]。這種運(yùn)送方法既跟傳統(tǒng)的漿體管道水力輸送的方法大相徑庭，也區(qū)別于傳統(tǒng)的型料管道水力運(yùn)送，而對(duì)于長(zhǎng)距離有壓管道充水過(guò)程的研究也對(duì)這種運(yùn)輸方式的運(yùn)用提供了保障[3]，因此囊體管道水利運(yùn)輸是一種新時(shí)代下極有研發(fā)前景的科學(xué)技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[4]。
囊體管道水力運(yùn)輸是一種新型管道水力輸送技術(shù)，對(duì)于該方面的研究還不是很完善。目前一些學(xué)者對(duì)于圓柱體的起動(dòng)條件[5]、圓柱體前后流場(chǎng)特性[6]、圓柱體環(huán)型縫隙水流特性[7]、圓柱體運(yùn)移時(shí)的水力特性以及不同流量[8]及環(huán)隙比條件下圓柱體繞流環(huán)隙流場(chǎng)[9]等進(jìn)行了初步的研究，對(duì)于整個(gè)囊體水力輸送理論系統(tǒng)還有許多需要補(bǔ)充。因此本試驗(yàn)以圓柱體的荷載為控制因子，對(duì)圓柱體在有壓管道運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行探究，并對(duì)不同荷載圓柱體較優(yōu)輸送率進(jìn)行分析，意在優(yōu)化圓柱體結(jié)構(gòu)參數(shù)，為囊體水力輸送投入生產(chǎn)使用起到推動(dòng)作用。
2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 圓柱體結(jié)構(gòu)
本試驗(yàn)所用圓柱體主要由2部分組成：圓柱形主體和支撐。其中料支撐是由在圓柱體的兩端分別安放3個(gè)呈放射狀且間隔為120°的鐵質(zhì)圓柱體組成，在圓柱體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，料筒兩端的圓柱體支撐與管道接觸，保持圓柱形主體與管道同心。圓柱體支撐末端需打磨光滑，以減小圓柱體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與管壁的摩擦。圓柱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1圓柱體結(jié)構(gòu)
Fig.1Structureofcylindricalcapsule
2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)
本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：水源水箱、動(dòng)力設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、輸水管路、投放設(shè)備以及接收設(shè)備。試驗(yàn)所用管道是若干段內(nèi)徑為100 mm的有機(jī)玻璃圓管，各管段之間由法蘭盤(pán)與膠皮粘接，保證其接縫密封不透水。試驗(yàn)時(shí)首先將水箱內(nèi)流量水量補(bǔ)充到合適水量，開(kāi)啟離心泵將水箱內(nèi)水抽至管道內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)閘閥調(diào)節(jié)流量到試驗(yàn)工況，然后操控測(cè)量?jī)x器測(cè)量圓柱體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)試管路內(nèi)的各項(xiàng)水力要素，最后水流再次流入水箱形成循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖2所示。
圖2試驗(yàn)系統(tǒng)布置
Fig.2Arrangementoftestdevices
如圖2所示，本試驗(yàn)管路總體分為3大部分，分別為直管段1、彎管段和直管段2，其中彎管段的轉(zhuǎn)彎半徑為2.87 m。從圓柱體制動(dòng)裝置處到管道出口全長(zhǎng)27.93 m，管路中共設(shè)了5個(gè)測(cè)試斷面，即圖2中的1#，2#，3#，4#，5#斷面。每個(gè)斷面上都連有壓力表，通過(guò)處理器與電腦相連，可以在電腦上監(jiān)測(cè)到圓柱體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)試斷面的壓力變化情況。同時(shí)在1#和5#斷面上安裝光電計(jì)時(shí)器用來(lái)測(cè)量不同荷載圓柱體在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)間。測(cè)點(diǎn)號(hào)及測(cè)點(diǎn)距離如表1所示(距離表示為測(cè)點(diǎn)距圓柱體制動(dòng)裝置處距離)。
表1 測(cè)點(diǎn)及距離Table 1 Distance of measurement pointsto cylindrical capsule
2.3 試驗(yàn)方案
表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes
表3 試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between test parametersand actual parameters
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 圓柱體受力分析
圓柱體在管道中平穩(wěn)運(yùn)移時(shí)的受力主要包括：管道內(nèi)壁對(duì)圓柱體支腳的摩擦力Sc、管壁作用在支腳上的支撐力Nc、縫隙流對(duì)圓柱體車(chē)身的剪切力τ、水流對(duì)圓柱體兩端產(chǎn)生的壓力差ΔP、圓柱體的浮力Fc和圓柱體及其物料的重力Wc(見(jiàn)圖3)。其中圓柱體的體表比和荷載直接影響到圓柱體所受的摩擦力、剪切力、壓差力和浮力，其公式為：
F=Δp+τ-Sc
； (1)
f=μN(yùn)c
； (2)
ΔP=ΔpA車(chē)端
； (3)
。 (4)
圖3圓柱體受力
Fig.3Forcesactingoncylindricalcapsule
式中：F表示圓柱體在管道中受到的沿水流方向的合力；Δp表示圓柱體前后的壓強(qiáng)差；f為圓柱體所受的摩擦力；μ為動(dòng)摩擦系數(shù)；A車(chē)端表示圓柱體在與水流方向垂直的端面上的投影面積；A車(chē)體表示圓柱體的側(cè)面表面積；V2表示圓柱體與管道內(nèi)水流的流速；V3表示圓柱體運(yùn)移的速度；ρ表示運(yùn)輸介質(zhì)的密度；λ表示摩阻系數(shù)。由式(1)—式(4)可以看出圓柱體在管道中所受到的合力與車(chē)型、荷載等因素息息相關(guān)。
3.2 不同荷載對(duì)圓柱體運(yùn)動(dòng)速度的影響
不同荷載圓柱體在流量為50 m3/h和60 m3/h、體表比C為12.5和14.2的情況下，不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移的平均速度v如圖4所示。
圖4圓柱體在不同荷載下的平均速度
Fig.4Averagevelocityofcapsuleunderdifferentloads
從圖4可以看出，在相同體表比和流量下，圓柱體平均速度與荷載基本上呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，并且隨著圓柱體荷載的增加，圓柱體的平均速度減小。這是因?yàn)樵谄渌绊懸蛩夭蛔兊臈l件下，荷載僅影響圓柱體所受的摩擦力。荷載越大，摩擦力就越大，從而圓柱體運(yùn)行的平均速度就越小。
同體表比圓柱體在荷載相同的情況下，其平均速度隨流量的增大而增大。這是因?yàn)樵谄渌绊懸蛩夭蛔兊臈l件下，水流流量會(huì)影響圓柱體兩端受到的壓差力和車(chē)身所受的剪切力。流量增大，壓差力和剪切力都增大，從而圓柱體運(yùn)行的平均速度就越大。
當(dāng)流量和圓柱體的荷載都相同時(shí)，體表比為14.2的圓柱體比體表比為12.5的圓柱體平均速度大。其原因主要是因?yàn)?種體表比圓柱體的差別在于圓柱體的受力面積。在其他影響因素不變的條件下，體表比為14.2的圓柱體受到的沿水流方向的剪切力和壓差力都比體表比為12.5的圓柱體大。因此體表比越大，圓柱體運(yùn)行的平均速度就越大。
3.3 不同荷載圓柱體運(yùn)動(dòng)情況下管道內(nèi)水流的壓力分布
在體表比為12.5、流量為60 m3/h情況下，不同荷載圓柱體運(yùn)移時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化情況如圖5所示，各測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2和表1。
圖5不同荷載圓柱體沿程壓強(qiáng)變化曲線
Fig.5Curvesofpressurechangealongthepipelineunderdifferentloads
從圖5可以看出，整體上，不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)，管道內(nèi)水流的壓強(qiáng)隨著距離增大而下降，且荷載不同并不會(huì)影響這種趨勢(shì)。其主要原因是圓柱體在運(yùn)移時(shí)，管道內(nèi)的能量損失主要分為沿程水頭損失和局部水頭損失，因此當(dāng)管道內(nèi)提供的能量一定時(shí)，水流流速不變壓強(qiáng)會(huì)沿程降低。
從局部上看，管道內(nèi)水流壓強(qiáng)沿程變化曲線大致可以分為3個(gè)部分：第一部分為1#—2#斷面，該段為直管段1，該段的壓強(qiáng)變化曲線較緩，是因?yàn)樵摱蔚哪芰繐p失主要是沿程水頭損失；第二部分為2#—4#斷面，該段為彎管段，其壓強(qiáng)變化曲線較陡，主要原因是該段的能量損失不僅包括沿程水頭損失還包括彎管處的局部水頭損失；第三部分為4#—5#斷面，該段為直管段2，其壓強(qiáng)變化曲線與第一部分相同。
對(duì)于不同荷載圓柱體來(lái)說(shuō)，在其他因素不變的情況下，同一斷面壓強(qiáng)隨著圓柱體荷載的增大而增大。其主要原因是，圓柱體荷載越大其受到的摩擦力也就越大，因此水流流過(guò)圓柱體時(shí)受到的阻力也就越大，因此水流壓強(qiáng)也就越大。
3.4 不同荷載圓柱體單位能耗分析
圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)，其能耗主要分為水流對(duì)圓柱體提供的動(dòng)力和水流與圓柱體及管道內(nèi)壁的摩擦而產(chǎn)生的能量損失2部分。圓柱體的單位能耗即管道內(nèi)產(chǎn)生的總能耗與管道長(zhǎng)度的比值，其中管道內(nèi)總能耗可以用伯努利方程求出，即
(5)
式中：Z表示高程；v表示圓柱體速度；P表示斷面壓強(qiáng)；ρ表示流體密度。
圖6不同荷載圓柱體單位能耗變化
Fig.6Variationofunitenergyconsumptionunderdifferentloads
從圖6可以看出，在圓柱體體表比和荷載一定時(shí)，圓柱體運(yùn)動(dòng)時(shí)的單位能耗隨流量的增大而增大。其主要原因：水流的流量越大，流速就越大，而根據(jù)能量方程可知，沿程水頭損失和局部水頭損失與流速的平方呈正比，所以能耗增加。當(dāng)圓柱體體表比和水流流量一定時(shí)，圓柱體單位能耗隨荷載的增大而增大。其主要原因：當(dāng)圓柱體荷載增大，圓柱體所受的摩擦力也就隨之增大，水流要克服摩擦力做功所消耗的能量就越大，因此單位能耗增加。
3.5 不同荷載圓柱體輸送率探究
本文中定義輸送率為運(yùn)輸距離一定時(shí)，單位時(shí)間單位能耗內(nèi)輸送物料的質(zhì)量。其公式表述為
(6)
式中：η為輸送率(g/(s·cm))；G為物料荷載(g)；T為輸送物料的總時(shí)間(s)；H為輸送物料的單位能耗(m/s2)。
從式(6)中可以得出，輸送率與圓柱體荷載成正比，與輸送時(shí)間與能耗成反比。根據(jù)式(6)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以體表比為12.5的圓柱體為例，得到不同荷載條件下的圓柱體輸送率，見(jiàn)圖7。
圖7不同荷載圓柱體輸送率比較
Fig.7Variationoftransmissionrateunderdifferentloads
由圖7可以看出，當(dāng)流量和體表比一定的情況下，圓柱體的輸送率均隨荷載的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)圓柱體荷載G=4 N時(shí)，圓柱體的輸送率達(dá)到最大。這說(shuō)明在本文所述的試驗(yàn)工況下，圓柱體荷載G=4 N時(shí)，其輸送工況為較優(yōu)的輸送工況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于物料的輸送率是由圓柱體的荷載、運(yùn)移速度和單位能耗這3個(gè)參數(shù)決定的，在試驗(yàn)工況下，當(dāng)荷載較小時(shí)，雖然運(yùn)輸時(shí)間和單位能耗相對(duì)較小，但是根據(jù)公式可求得輸送率并不高，而當(dāng)圓柱體的荷載較大時(shí)，單位能耗和運(yùn)輸時(shí)間相對(duì)較大，由公式可得到輸送率相對(duì)較小。而當(dāng)流量為變量時(shí)，就試驗(yàn)工況的2個(gè)流量比較，流量Q=50 m3/h時(shí)圓柱體在運(yùn)移時(shí)對(duì)于物料的輸送率要稍高于流量Q=60 m3/h的工況，這說(shuō)明在試驗(yàn)工況下，單位能耗對(duì)于圓柱體的輸送率的影響要稍大于圓柱體在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度。
4 結(jié) 論
本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同荷載圓柱體在有壓管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：
(1)在體表比和流量一定的情況下，圓柱體的荷載越大，其在管道中的運(yùn)移速度越小。
(2)管道內(nèi)沿程壓強(qiáng)隨距離逐漸減小，且圓柱體荷載不會(huì)影響其變化趨勢(shì)，同一斷面壓強(qiáng)值隨圓柱體荷載的增大而增大。
(3)在圓柱體的體表比和流量一定的情況下，整個(gè)有壓管道的單位能耗隨圓柱體荷載的增大而增大。
(4)根據(jù)本文所述試驗(yàn)工況，在圓柱體的體表比和流量一定的情況下，圓柱體的輸送率在圓柱體荷載為4 N時(shí)達(dá)到最大，因此該輸送工況較優(yōu)。
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