垂直管固体物料水力输送浓度的研究.pdf

泥沙研究
年月第期

垂直管固体物料水力输送浓度的研究

田龙李鹏程姜龙韩文亮
清华大学北京

摘要在前人实验研究的基础上通过实验与理论分析研究了垂直管水力提升中的固体颗粒浓度特征在分
析颗粒受力及颗粒运动规律的基础上利用扩散方程推导了垂直管水力提升颗粒浓度分布的计算公式并通
过实验进行了初步验证另外通过实验分析了颗粒群体滑移速度与提升速度的关系纠正了颗粒群的滑移
速度为颗粒群的沉速输送浓度一定小于当地浓度的认识认为输送浓度当地浓度与提升速度有关
关键词垂直管水力提升输送浓度当地浓度
中图分类号文献标识码文章编号

前言

垂直管中的固体颗粒水力提升是生产中提出的问题例如深海采矿水力提升水力采煤煤块提升
挖泥船泥沙及卵石的输送封闭采矿法中矿物的提升等等在垂直管水力提升过程中颗粒不仅受垂直
方向的力而且还受侧向力的作用使固体颗粒向上运动的同时有向管道中心运动的趋势垂直管水
力提升中固体颗粒向管道中心集中形成完全不同于水平管道的浓度分布形式另外由于固体颗粒速
度一般滞后于周围水团的速度产生输送浓度随提升速度变化输送浓度与管道内的浓度不相同的
特征
刘大有路展民曾对垂直管的浓度分布特征进行过实验测量给出了管道中心处颗粒浓度高而
管壁处颗粒浓度低的分布形式但仅分析了固液两相速度没有就浓度分布规律进一步进行研究丁玉
龙等研究了垂直管气固两相流固相浓度分布得出固相浓度分布与固体滑移速度气相速度梯度颗
粒旋转速度颗粒扩散系数颗粒直径有关推导了极其复杂的垂直管截面上浓度分布公式夏建新等
结合深海采矿对粗颗粒垂直管水力提升颗粒滑移及滞留效应进行了研究得到颗粒在垂直管道水力提
升中输送浓度小于管道内当地浓度的结论这些研究成果既有其不足的方面又具有一定借鉴意义

垂直管水力提升颗粒沿管径方向的浓度特性

沿管径方向颗粒受力分析
在垂直管水力提升泵出口处由于受水泵内的水轮扰动作用颗粒在管道断面上基本均匀分布但
经过在管道中的一段运动固体颗粒集中于管道中心形成管道中心浓度大靠近管壁浓度低的分布形
式这主要由于管壁附近的颗粒受侧向力作用具有向管道中心运动的趋势
根据分析主要侧向力有两种一是力固体颗粒在管道中运动时常常会发生旋转

颗粒两侧的速度差此速度差造成垂直于颗粒与流体相对速度方向的侧向力其方向与滑移速

收稿日期
基金项目国家自然科学基金资助项目
作者简介田龙男河北张家口人硕士主要从事泥沙管道输送研究
度颗粒旋转速度构成右手螺旋大小如式描述

二是力如果颗粒足够大并且绕过颗粒的流场有很大的速度梯度也会产生垂直于
颗粒和流体相对速度方向的侧向力其大小描述为

上式中为颗粒直径为颗粒旋转速度为流体速度为颗粒速度为流体密度为粘滞系
数为沿管径方向从公式和看出颗粒所受侧向力力力主要由速度梯度引起
的而速度梯度最大处为管壁附近管道中心由于速度梯度小这两个力可以忽略
在管径方向除了颗粒受侧向力作用外由于颗粒与颗粒之间碰撞浓度梯度导致的颗粒由浓度高处
向浓度低处的扩散使部分颗粒离开管道中心向管壁方向运动最终颗粒在侧向力碰撞及扩散的共同
作用下达到平衡在管道中心处形成颗粒集中的运动带颗粒在管道断面上呈现管道中心浓度大从管
道中心到管壁浓度越来越低的分布状况
沿管径方向的浓度扩散方程
对于垂直管水力提升在管道断面上颗粒浓度分布由于管道轴对称在一维情况下可近似采用其浓
度的扩散方程描述

其中为颗粒扩散系数为沿管径方向某点的颗粒浓度为管道内径为颗粒群的平均径
向速度在侧向力颗粒碰撞及浓度扩散等作用下颗粒径向速度与颗粒所处位置有关即
因而只要确定颗粒径向运动的速度与管径的函数关系上面的微分方程就可以求解
根据以上颗粒所受侧向力的分析由于受的侧向力在管道中心为在管壁处最大颗粒沿管径方
向的速度可假定在管中心处为最小值而在近管壁处是最大值如果以管径中心为坐标原点对
于一般直径的管道则可简单地假定测向速度为线性关系假定浓度扩散系数与动

量扩散系数有关可采用文献推导出颗粒扩散系数的表达式式中为动量扩

散系数与浓度扩散系数的修正系数为卡门常数为摩阻速度代入方程可得

取可以进一步化简为

代入初始条件求解这个微分方程得到

式为颗粒浓度分布指数公式为颗粒浓度分布系数为管道内径为颗粒浓度分布指

数浓度分布系数及分布指数与垂直管道提升速度管道内输送浓度等因素有关对于浓度分布指数

其中卡门常数为摩阻速度可采用以下公式计算

其中为管道内平均提升速度阻力系数可以近似采用清水阻力系数计算
颗粒径向速度的探讨
在浓度分布指数计算中关键是颗粒径向速度由于颗粒的径向
速度影响因素比较复杂实际测量困难考虑颗粒受力及碰撞影响
采用颗粒运动模拟程序对单颗粒径向运动速度进行了计算不同
位置不同大小的单颗粒径向速度不同而处在靠近壁处的单颗粒
在提升速度为?时径向速度计算见