張羽, 李卓普, 嚴軍, 孫東坡

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046)

隨著科技發(fā)展和社會進步,公路、鐵路、水路、航空運輸這些傳統(tǒng)的運輸方式在一些地理條件苛刻的情況下,已經(jīng)不能滿足人們的需求。除此之外,運輸一些易燃、易爆、有毒等危險物品時,一旦因車禍等因素在人員密集區(qū)發(fā)生泄露甚至爆炸,造成的人員和財產(chǎn)損失將是巨大的。因此,管道水力輸送的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來。但傳統(tǒng)管道輸送物料大多利用物料與水混合成漿體后,通過平直流輸送。為了保證輸送效率,不得不大幅增加水流流速,還要定期對管道內(nèi)壁進行清洗,這必然造成水資源浪費、高耗能以及管道內(nèi)壁的磨損。出于節(jié)能、保護水資源、保護管道及水泵的目的,將物料加入物料艙進行螺旋流輸送,物料艙不與管道內(nèi)壁接觸,避免了漿體物料沖刷水泵葉片和管道內(nèi)壁,管道內(nèi)是清水,工程上可以修建雙向管道,保障清水能夠循環(huán)利用,節(jié)約水資源。

針對管道螺旋流的研究,武鵬林、彭龍生[1]提出在管道內(nèi)設置起旋器能有效地將平直管流扭成螺旋流,但是由于管壁的摩阻作用會導致螺旋流的旋流分量衰減。張羽等[2-3]結合大量的試驗數(shù)據(jù)證實了斷面切向流速呈線性分布的理論,并揭示了軸向流速分布的特殊性;隨后又通過試驗手段分析了管道螺旋流中泥沙的運動特征,發(fā)現(xiàn)切向流速的存在有利于管道內(nèi)泥沙的“旋浮”，管道螺旋流有利于高濃度輸沙，這對于螺旋流的研究和高濃度輸沙具有重要意義。孫西歡等[4]通過試驗研究了圓管螺旋流局部起旋器出口段周向流速和軸向流速的分布特性及其影響因素,結果表明,螺旋流有利于管道輸送固體中固體顆粒的懸浮。李永業(yè)等[5]結合模型試驗與理論分析,對起旋器內(nèi)部的旋流特性進行研究,結果表明,導流條對流速和渦量變化具有重要的影響,對圓管螺旋流輸送固體具有重要意義。薛百文等[6]對液粒兩相螺旋流不同類型的起旋器進行對比試驗分析,得出切向進流方式更優(yōu),能量集中。強浩明、孫西歡[7]通過模型試驗,用兩套起旋裝置研究了不同流量下螺旋流的軸向流速和周向流速的分布特性,結果表明,導葉包角相對越大,則其周向流速越大,但是水流的阻力也越大。本文為了使物料艙具有較好的懸浮效果和輸送效率,方便用于實際工程,將對管道螺旋流的特性及物料艙的輸送狀況進行模擬試驗研究。

1 模型設計與建立

1.1 系統(tǒng)設計理念

管道螺旋流輸送物料艙系統(tǒng)通過在管內(nèi)加裝導流條引導水流做螺旋運動,并沿程切向射流加壓維持螺旋流,運用螺旋流輸送物料艙。

1.2 系統(tǒng)模型設計

管道螺旋流輸送物料艙系統(tǒng)的三維設計模型與對應的實體物理模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 管道螺旋流輸送物料艙系統(tǒng)的三維模型(單位:mm)

圖2 管道螺旋流輸送物料艙系統(tǒng)的物理模型

試驗裝置的主體為總長4.5 m、內(nèi)徑8 cm的透明亞克力圓管,可觀察物料艙在管道內(nèi)的運動狀況。整個裝置由蓄水池、水泵1、流量計、局部起旋管、進料管、物料艙、沿程起旋管、水泵2、水箱等組成。

模型試驗中,將物料艙的前端設計為彈頭樣式,以減少物料艙在行進中所受的水流阻力。艙體也采用透明的亞克力管,內(nèi)部裝有沙、石等物料并用橡膠塞塞緊。局部起旋管的導流條安放角、螺旋導葉安放角及切向射流方向與管軸線夾角均為60°,導流條和螺旋導葉數(shù)量均設定為6。導流條安放位置由圖3確定。圖3(a)中S為管道內(nèi)壁周長,H為局部起旋管長度。平面展開圖中導流條安放線繞管道內(nèi)壁旋轉(zhuǎn),即可得到圖3(b)中的導流條安放線,在此位置安裝導流條。起旋管局部結構設計如圖4所示。物料艙的螺旋導葉也是同理得到,兩種物料艙設計如圖5所示。

圖3 局部起旋管內(nèi)導流條設計

圖4 起旋管局部結構設計(單位：mm)

圖5 物料艙局部結構設計(單位：mm)

2 方案設計

2.1 試驗參數(shù)選取

模型試驗中,選取了5個流量級,詳見表1。物料艙設計為4種密度,通過調(diào)整其內(nèi)部物料來改變物料艙的密度;艙4加上導葉作為艙5,具體設計數(shù)據(jù)見表2，表中M表示質(zhì)量。

表1 流量條件 L/s

表2 物料艙的基本類型

2.2 工作原理

試驗時,首先向蓄水池內(nèi)供水;然后通過水泵1從蓄水池中將水抽入主管道;管道內(nèi)水流經(jīng)過電磁流量計測量后進入局部起旋管,并在局部起旋管內(nèi)壁導流條的引導下做螺旋運動;在螺旋流衰減區(qū)加入沿程起旋管,并通過水泵2切向注入水流輔助加壓,維持螺旋流強度;待進料管水位穩(wěn)定后,利用下料裝置將物料艙下降至管道軸線附近,物料艙在導葉、螺旋流的共同作用下在管道中懸浮旋轉(zhuǎn)前進。

2.3 試驗方案

方案1:確定起加力助推作用的沿程起旋管的安放位置。通過試驗觀察在沒有沿程起旋管的情況下,物料艙在不同流量下的輸送情況,確定物料艙缺乏螺旋推力沉落至管道底部的位置,從而確定沿程起旋管設在何處為宜。

方案2:在沉落位置加裝沿程起旋管,在局部起旋管和沿程起旋管的共同作用下,研究物料艙在管道內(nèi)的輸送特性。

3 試驗結果分析

3.1 方案1

在沿程起旋管未安裝的情況下,在不同的流量下對物料艙通過測量段(進料管后0～2 m)的時間進行測量,進行3組試驗,求得平均值,并轉(zhuǎn)化為測量段平均輸送速度,詳見表3。測量段物料艙的輸送速度與水流流量的關系如圖6所示。

表3 不同流量下物料艙的平均輸送速度(方案1)

由圖6可以看出,雖然管道內(nèi)的螺旋流不斷衰減為平直管流,但是艙5在導葉的作用下仍然比其他物料艙的輸送速度快,這表明僅在局部起旋管的作用下,物料艙上加導葉有利于提高物料艙的輸送速度。對于密度不同的4個不帶導葉的物料艙,艙3的輸送速度明顯快于其余3個物料艙的,說明方案1中物料艙的密度在1.57 g/cm3左右時輸送速度較快。在最小水流條件(水泵1,流量5.00 L/s)下,觀察管道內(nèi)物料艙的運動情況,測得密度最大的艙4在進料管后42 cm處完全沉落管底。因此,將沿程起旋管安裝在進料管出口后40 cm處,為螺旋流補充能量,助力物料艙繼續(xù)保持螺旋輸移。

圖6 測量段物料艙的輸送速度與流量的關系(方案1)

3.2 方案2

在方案1的基礎上,接入沿程起旋管后進行方案2試驗。首先,對測量段前后的壓強變化進行分析。測量段仍選取進料管后0～2 m范圍,啟動水泵1,管內(nèi)充滿水流后啟動水泵2,不投放物料艙,待進料管水位穩(wěn)定后,研究測點1、2、3(如圖1所示)處的壓強變化,分析管道內(nèi)的水流特性。測壓管水頭數(shù)據(jù)見表4,表中H1、H2、H3分別表示測點1、2、3處的測壓管水頭。由表4可以看出，隨著管道內(nèi)流量的增加,測量段前后管道內(nèi)的壓強減小量越來越大。這表明：流量越大,沿程水頭損失也越大；從節(jié)能的角度,在物料艙輸送效率相同時,管道內(nèi)的輸送流量越小,則物料艙的設計參數(shù)越優(yōu)。

表4 不同流量下測點測壓管水頭對比 cm

然后,在方案1的基礎上,加入沿程起旋管切向進流,為螺旋流補充能量,繼續(xù)保證管道內(nèi)水流做螺旋運動。不同流量下同樣進行3組試驗,對測量段內(nèi)物料艙的輸送時間求平均值,計算其平均輸送速度,詳見表5。

表5 不同流量下物料艙的平均輸送速度(方案2)

測量段物料艙的輸送速度與水流流量的關系如圖7所示。由圖7可以看出導葉對物料艙輸送效率的影響:帶有導葉的艙5在流量達到6 L/s左右時,其輸送速度已經(jīng)位居第一;艙1的速度很不穩(wěn)定,雖然在6 L/s的流量下也能獲得較高的速度,但其密度遠小于艙5的密度,表明輸送效率低。因此,相比無導葉的物料艙,具有導葉的艙5明顯更節(jié)能、更高效。

圖7 測量段物料艙的輸送速度與流量的關系(方案2)

3.3 不同方案對比分析

對比表3和表5可知,方案2中各個物料艙的輸送速度均大幅度增加,輸送速度的增加幅度為37.34%～225.53%。為了量化研究輸送能耗,對不同方案在不同流量下的輸送能耗進行計算,計算結果見表6。為了研究物料艙的懸浮效果,需要對不同方案中物料艙完全沉落管底的距離(物料艙完全與管底接觸時,物料艙頂端距進料管出口的距離)進行對比。當水泵1的流量為5 L/s時,方案1和方案2中不同密度物料艙的完全沉落距離見表7,物料艙的完全沉落距離與其密度關系如圖8所示。

表6 不同流量下各方案的能耗對比

表7 不同密度物料艙的完全沉落距離

圖8 物料艙完全沉落距離與其密度關系

關于起旋管對物料艙輸送的影響,對比表3、表5和表6可得：輸送同樣的物料艙,方案2比方案1測量段平均輸送速度增加37.34%～225.53%；方案2比方案1節(jié)能31.87%～60.92%,說明增加沿程起旋管后,輸送物料艙更加節(jié)能。由表7可知：當流量為5.00 L/s時,相比方案1, 方案2中所有物料艙的完全沉落距離均有增長,增幅為30.30%～167.44%,說明在局部起旋管和沿程起旋管的共同作用下,物料艙更易懸浮;艙5的完全沉落距離的增幅最大,說明起旋管對帶導葉的物料艙的影響更大。

分析物料艙密度不同時各方案的試驗成果，可得出艙體輸送重量對物料輸送效率的影響。以圖7為例分析可知:密度最小的艙1,輸送效率低且與管道內(nèi)壁常發(fā)生碰撞,輸移穩(wěn)定性差;密度比艙3小的艙2雖然輸送較穩(wěn)定,但輸送速度達到160 cm/s時所需的流量遠大于艙3,因此艙3的輸送效率更高。而從圖8中觀察到密度更大的艙4的完全沉落距離過小,很難懸浮輸送。經(jīng)綜合分析可知：艙體密度在1.57 g/cm3左右時輸送物料效率較高。

在同密度時，導葉也能夠大大增加物料艙懸浮輸送效果，詳見表8。表中，P總為2個水泵的實際總功率；W總為2個水泵的實際總做功。出于保護管道和保護艙體的目的，表8中應選用最小流量(5.00 L/s)時的完全沉落距離數(shù)據(jù)。

表8 流量為6.00 L/s時艙4、艙5的輸送效果對比

關于艙身有無導葉對物料艙輸送的影響，從表8能夠看出：帶導葉的艙5比同密度下不帶導葉的艙4的輸送時間更短、更節(jié)能、懸浮效果更優(yōu);方案2中艙5的完全沉落距離最大，表明設置沿程起旋管后帶導葉的物料艙的懸浮效果更優(yōu)。

4 結論

本文通過建立圓管螺旋流輸送物料系統(tǒng)的物理模型,開展了物料艙輸送試驗研究,系統(tǒng)分析了多種物料艙在不同工況下的懸浮效果和輸送效率,得出以下主要結論：

1)僅依靠局部起旋管形成的螺旋流輸送物料艙,速度較慢,且懸浮效果不佳。加入沿程起旋管(方案2)切向射流為螺旋流補充能量后：當流量為6.00 L/s時，物料艙輸送速度的增幅為37.34%～225.53%,輸送效率更高;物料艙完全沉落距離的增幅為30.30%～167.44%,懸浮效果更好;測量段內(nèi)輸送物料艙節(jié)能31.87%～60.92%,節(jié)能效果更優(yōu)。

2)帶導葉的物料艙在較低流量(6.00 L/s)下就能達到較高的輸送速度,且對于完全沉落距離,方案1增幅104.76%；而方案2增幅142.11%,方案2的懸浮能力更強。方案1節(jié)能12.84%,而方案2節(jié)能50%,方案2更節(jié)能;方案1減時12.66%,而方案2減時50%,方案2的輸送效率更高。

3)物料艙的密度在1.57 g/cm3(艙3)左右時,輸送效果較佳,從而得出工程中物料艙的最優(yōu)載重,為實際工程應用提供數(shù)據(jù)參考。