摘 要：筒裝料管道水力輸送作為一種新型管道水力輸送技術(shù)，通過(guò)在料筒兩端分別安裝帶有萬(wàn)向滾珠的支撐，成功解決了料筒在管道中的懸浮問(wèn)題并降低了磨損。以直徑比為0.5、0.6、0.7、0.8的管道車(chē)為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：對(duì)于既定的管道，流量存在一個(gè)閾值Q中，當(dāng)流量小于閾值時(shí)，管道車(chē)的平均速度隨直徑比的增大而增大，當(dāng)流量大于閾值時(shí)，隨著直徑比的增大，管道車(chē)的平均速度表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)，在直徑比為0.6左右時(shí)，管道車(chē)的平均速度最小;管道車(chē)在載荷、流量、車(chē)長(zhǎng)和導(dǎo)流條安放角等參數(shù)一定的條件下，隨著直徑比的增大，總能耗表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，總能耗最小值出現(xiàn)在直徑比為0.6的工況附近。

關(guān)鍵詞：直徑比;管道車(chē);水力輸送;水力特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV134.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.025

引用格式：郭亞麗.不同直徑比管道車(chē)運(yùn)移時(shí)的水力特性[J].人民黃河，2021，43（1）：129-132.

Hydraulic Characteristics of Piped Carriages with Different Diameter Ratios During Transportation

GUO Yali

（Taiyuan Urban Vocational College， Taiyuan 030027， China）

Abstract：As a new technique of the piped hydraulic transportation， the piped hydraulic transportation of tube-contained raw material， one brace with a universal ball bearing installed at the bottom at each side of the barrel is installed， solves the suspension of the container in the pipeline and reduces abrasion. Based on the different diameter ratios， the experiment on the piped carriages was analyzed. The results show as follows. For the established channel， there is a flow threshold， when the flow is less than the flow threshold， the average speed of the piped carriage is increased along with the diameter ratio， when the flow is greater than the flow threshold， the average speed of the piped carriage is firstly decreased along with the increase of the diameter ratio， then increased， the lowest value occurs around the diameter ratio of 0.6; In any case change of the piped carriage， under the same load， flow， length of the piped carriage and diversion angle of the guide vanes， the total energy consumption value shows the trend is firstly decreased and then increased， the total energy consumption minimum value appear in the pipes near the operation condition of the diameter ratio of 0.6. These conclusions will provide an important reference for improving the technical parameters of the piped hydraulic transportation technique.

Key words： diameter ratios; piped carriage; hydraulic transportation; hydraulic characteristics

1 引 言

在型料管道水力輸送的基礎(chǔ)上提出的筒裝料管道水力輸送技術(shù)[1]，是將物料裝在管道車(chē)內(nèi)（一般為圓形料筒），依靠水流的推力作用，推動(dòng)管道車(chē)在管道中運(yùn)移，將物料輸送到目的地的一種新型輸送方式。管道車(chē)是該輸送技術(shù)的物料輸送載體，為保證其在有壓管道中的低能耗穩(wěn)定運(yùn)行，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成帶導(dǎo)流條的圓柱體與帶滾珠的圓柱支撐體組合而成的組合體[2-3]，成功解決了料筒在管道中的懸浮問(wèn)題并降低了磨損。管道車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

管道車(chē)在管道中運(yùn)移時(shí)的車(chē)速、管道內(nèi)流場(chǎng)分布以及壓力變化等均受多種因素影響，如直徑比、流量、輸送物料的質(zhì)量以及管道車(chē)的結(jié)構(gòu)等，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究及理論分析。李永業(yè)等[4-5]假設(shè)管道車(chē)在管道內(nèi)平穩(wěn)移動(dòng)并具有足夠的剛度，建立了管道車(chē)在湍流中運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了測(cè)試，研究結(jié)果表明管道車(chē)輛速度的計(jì)算值在各種影響因素變化的情況下與試驗(yàn)值相同。胡志毅等[6]對(duì)不用荷重條件下的管道車(chē)概化圓柱體模型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明管道車(chē)的運(yùn)移速度和荷重為負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著輸送荷載的增大，管道內(nèi)的能耗損失呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。張雪蘭等[7]研究了多個(gè)管道車(chē)串聯(lián)布置運(yùn)行時(shí)的環(huán)隙水流特性，分析了環(huán)隙水流的沿程流速及壓力分布規(guī)律。Taimoor Asim等[8-9]通過(guò)數(shù)值模擬研究了圓柱形輸送體在管道水力輸送中的輸送特性，分析了不同長(zhǎng)度圓柱形輸送體的運(yùn)動(dòng)速度及管內(nèi)水流的壓強(qiáng)和流速變化規(guī)律。Deniz Ulusarslan等[10-11]研究了低密度球形輸送體在輸送中流體的局部水頭損失系數(shù)及管道內(nèi)流體的壓力梯度，分析了在輸送體運(yùn)動(dòng)速度相同的條件下，管道內(nèi)流體的壓力梯度與輸送體密度的變化關(guān)系，得出了輸送體的運(yùn)動(dòng)速度越大，壓力梯度就越接近1;90°彎管流體的壓力梯度高于45°彎管的，而且在相同流速和相同輸送體密度條件下，90°彎管流體的局部損失是45°彎管的2～3倍。Zhang Chunjin等[12]采用雙向耦合的方法對(duì)不同安放角條件下帶導(dǎo)葉的管道車(chē)運(yùn)移時(shí)的環(huán)狀縫隙流場(chǎng)水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。Zhang Xuelan等[13-14]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同流量條件下的二維和三維環(huán)狀縫隙流速度和壓力分布進(jìn)行了研究。目前對(duì)影響管道車(chē)運(yùn)移時(shí)水力特性的因素的研究多集中在雷諾數(shù)、荷重、導(dǎo)流條安放角等，隨著研究的深入，逐漸對(duì)直徑比展開(kāi)研究。所謂直徑比指管道車(chē)外徑d與管道內(nèi)徑D的比值，管道車(chē)外壁與管壁之間形成的環(huán)狀縫隙寬度由直徑比決定，而環(huán)狀縫隙寬度的變化，不僅會(huì)對(duì)環(huán)狀縫隙內(nèi)流場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，還會(huì)影響管道車(chē)前后端面和車(chē)身的受力分布。因此，筆者通過(guò)對(duì)不同直徑比條件下管道車(chē)運(yùn)移時(shí)的水力特性進(jìn)行研究，以期對(duì)提高管道車(chē)運(yùn)移速度、降低管道車(chē)運(yùn)移時(shí)的能耗損失，以及加快管道車(chē)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由流量調(diào)控系統(tǒng)、管道車(chē)的加入與回收系統(tǒng)、輸送管道組成。其中：輸送管道由有機(jī)玻璃圓管組成，管道內(nèi)徑為100 mm，流量調(diào)控系統(tǒng)由渦輪流量計(jì)配合閘閥組合而成，管道車(chē)的加入裝置為一喇叭狀的垂直管道，管道車(chē)的回收裝置為一矩形水箱。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)水泵將水流從蓄水池抽入輸送管道，然后利用流量調(diào)控系統(tǒng)將流量調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需范圍，等到管道內(nèi)水流穩(wěn)定后，在有壓水流的作用下管道車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)管道車(chē)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)時(shí)，記錄其運(yùn)動(dòng)時(shí)間和管道內(nèi)壓力變化情況，最后通過(guò)管道車(chē)回收裝置對(duì)管道車(chē)進(jìn)行回收，水流則流入蓄水池，形成完整的閉合循環(huán)回路。這其中，管道內(nèi)水流的壓力采用壓力傳感器測(cè)量，管道車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度采用光電傳感器測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集通過(guò)無(wú)紙記錄儀來(lái)完成。整個(gè)管道的長(zhǎng)度除以管道車(chē)在管道內(nèi)運(yùn)移的總時(shí)間即管道車(chē)的平均速度。試驗(yàn)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖2。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

共布置10個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（1#～10#），各測(cè)點(diǎn)的位置見(jiàn)圖2，沿水流方向各測(cè)點(diǎn)與投放裝置的距離見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)方案

本文主要研究不同直徑比對(duì)管道車(chē)運(yùn)移時(shí)水力特性的影響，選定試驗(yàn)管道車(chē)d=50、60、70、80 mm，從而得到直徑比分別為0.5、0.6、0.7、0.8，選用管道車(chē)車(chē)長(zhǎng)為100 mm和150 mm，對(duì)應(yīng)導(dǎo)流條長(zhǎng)度l為100 mm和150 mm，導(dǎo)流條參數(shù)參照機(jī)翼的結(jié)構(gòu)對(duì)流體的升力與阻力的影響來(lái)選取，安放角θ選定10°、15°，高度h=0.6（D-d）/2，導(dǎo)流條厚為3 mm。管道車(chē)輸送質(zhì)量G為1 150 g和1 250 g，在流量Q=30～90 m3/h范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同直徑比條件下管道車(chē)平均速度的變化

管道車(chē)車(chē)長(zhǎng)L=100 mm和150 mm、導(dǎo)流條長(zhǎng)度l=100 mm和150 mm、導(dǎo)流條安放角θ=15°時(shí)，管道車(chē)平均速度與直徑比的關(guān)系如圖3所示。

（1）從總體來(lái)看，對(duì)于該試驗(yàn)，存在一個(gè)約為70 m3/h的流量閾值Q中，其可作為直徑比與管道車(chē)平均速度關(guān)系的一個(gè)分界點(diǎn)。

（2）當(dāng)流量Q

（3）當(dāng)流量Q>Q中時(shí)，隨著直徑比的逐漸增大，管道車(chē)的平均速度呈現(xiàn)出先

減小后增大的變化趨勢(shì)，只是下降幅度不大，在d/D=0.6左右出現(xiàn)最低點(diǎn)，之后隨直徑比的增大，管道車(chē)平均速度又逐漸增大。當(dāng)d/D<0.6時(shí)，管道車(chē)直徑較小，使得前后端面以及側(cè)面積都較小，管道車(chē)受到的推力相對(duì)較小，故隨直徑比增大而增大的量相對(duì)有限，而屬非流線型物體的管道車(chē)此時(shí)受到的總繞流阻力等隨直徑比增大而增加明顯，故合力有所減小，管道車(chē)運(yùn)移平均速度稍微下降。當(dāng)d/D>0.6時(shí)，管道車(chē)運(yùn)行的平均速度又呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其原因主要是直徑比增大使得管道車(chē)運(yùn)行的總動(dòng)力增大。

3.2 不同直徑比條件下管道能耗變化

假設(shè)管道車(chē)在管道內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)移，其平均運(yùn)移速度為v，在運(yùn)移管道車(chē)車(chē)身上建立相關(guān)坐標(biāo)系，則管道內(nèi)水流相對(duì)于管道車(chē)的速度為v1-v。依據(jù)車(chē)體建立的坐標(biāo)系，水流在流經(jīng)運(yùn)動(dòng)管道車(chē)前后斷面的能量平衡方程可表示為

Z1+p1γ+α1（v1-v）22g=Z2+p2γ+α2（v1-v）22g+Δhw（1）

式中：Z1、Z2分別為管道車(chē)前、后斷面水流的位置水頭;p1γ、p2γ分別為管道車(chē)前、后斷面水流的壓強(qiáng)水頭;α1（v1-v）22g、α2（v1-v）22g分別為管道車(chē)前、后斷面水流的流速水頭;v1為管道中水流的平均流速。

當(dāng)流量一定時(shí)，管道內(nèi)徑不發(fā)生變化，且取α1=α2=1，則式（1）表示為

Δhw=（Z1+p1γ）-（Z2+p2γ）（2）

由式（2）可知，管道車(chē)在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)整個(gè)管路的水頭損失等于管道車(chē)前后兩端面的測(cè)壓管水頭差。因此，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)壓力傳感測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭值，利用式（2）即可計(jì)算出管道車(chē)在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的水頭損失。

圖4為車(chē)長(zhǎng)L=100 mm、導(dǎo)流條長(zhǎng)l=100 mm、安放角θ=10°、G=1 150 g和1 250 g條件下，流量分別為50、80 m3/h時(shí)，管道車(chē)在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)的總水頭與直徑比的關(guān)系。

（1）在同一工況條件下，管道車(chē)運(yùn)移時(shí)總水頭損失隨直徑比的變化趨勢(shì)大致相同，即隨著直徑比的增大，總水頭損失先呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)直徑比為0.6左右時(shí)，其最小，之后隨著直徑比的增大，其呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，說(shuō)明直徑比是影響管道車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)前后兩端面的水頭損失和環(huán)隙水流紊動(dòng)損失的關(guān)鍵因素。

當(dāng)直徑比d/D<0.6時(shí)，流量一定，直徑比越小，管道車(chē)直徑越小，管道車(chē)與管壁所形成的環(huán)狀縫隙寬度越大，環(huán)狀縫隙流流速值減小，同時(shí)車(chē)體兩端面及側(cè)面受力面積也減小，受到的軸向向前推力相應(yīng)越小，水流動(dòng)力有效利用率越低，從而輸送總水頭損失增大。

當(dāng)直徑比d/D>0.6時(shí)，隨著直徑比的增大，管道車(chē)直徑變大，車(chē)體周?chē)h(huán)狀縫隙減小，縫隙流流速增大，雖然水流能量轉(zhuǎn)化為車(chē)體運(yùn)動(dòng)能量的效率增大，但此時(shí)縫隙流流速的增大導(dǎo)致車(chē)體側(cè)面與管壁間局部水頭損失急劇增大，由于管道車(chē)運(yùn)行過(guò)程中車(chē)后會(huì)不同程度地產(chǎn)生旋渦，因此渦體從產(chǎn)生到衰減直至消失也伴隨著一定程度的能量損失。這些都是使輸送總水頭損失隨著直徑比的增大表現(xiàn)為增大趨勢(shì)的重要原因。

當(dāng)流量Q>Q中時(shí)，在管道內(nèi)流量、輸送物料荷重、車(chē)身長(zhǎng)度以及導(dǎo)流條長(zhǎng)度、厚度、安放角等因素不變的情況下，管道車(chē)平均速度在直徑比d/D=0.6左右出現(xiàn)最低點(diǎn)，即管道車(chē)獲得的動(dòng)能最小，這也是能耗值在直徑比d/D=0.6左右出現(xiàn)最小值的一個(gè)重要因素。

因此，在管道車(chē)工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中可以把直徑比作為管道車(chē)低能安全運(yùn)行工況優(yōu)選的重要控制參數(shù)。

（2）在輸送工況一定時(shí)，隨著管道內(nèi)流量的不斷增大，管道車(chē)運(yùn)移時(shí)總水頭損失也增大。在輸送流量、直徑比、車(chē)身長(zhǎng)度以及導(dǎo)流條長(zhǎng)度、厚度、安放角一定時(shí)，管道車(chē)運(yùn)行的總能耗隨著輸送物料荷重的變化而變化，說(shuō)明輸送物料荷重也是影響能耗的一個(gè)重要因素。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同直徑比條件下管道車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的水力特性進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)流量Q

（2）當(dāng)流量Q>Q中時(shí)，隨著直徑比的增大，管道車(chē)的平均速度表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)，在直徑比為0.6左右時(shí)，管道車(chē)的平均速度最小。

（3）管道車(chē)在輸送物料載荷、流量、管道車(chē)車(chē)長(zhǎng)和導(dǎo)流條長(zhǎng)度、厚度、安放角等參數(shù)不變的條件下，隨著直徑比的增大，總能耗呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且在直徑比d/D=0.6左右出現(xiàn)最小值。

因此，直徑比是影響管道車(chē)運(yùn)移的一個(gè)重要因素，適當(dāng)?shù)剡x取直徑比既可以提高運(yùn)輸速度，又能盡量降低能耗，提高運(yùn)輸?shù)男省?/p>

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【責(zé)任編輯 張華巖】