粗颗粒物料管道水力输送不淤临界流速计算.pdf

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1、第６期水利水运工程学报Ｎｏ．６２０１６年１２月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤｅｃ．２０１６ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１６．０６．０１５邱灏，曹斌，夏建新．粗颗粒物料管道水力输送不淤临界流速计算［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１６（６）：１０３－１０８．（ＱＩＵＨａｏ，ＣＡＯＢｉｎ，ＸＩＡＪｉａｎ⁃ｘｉｎ．Ｎｏｎ⁃ｓｉｌｔｉｎｇｃｒｉｔｉｃａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏａｒｓｅ⁃ｇｒａｉｎｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｌｉｎｅ［

2、Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６（６）：１０３－１０８．）粗颗粒物料管道水力输送不淤临界流速计算邱灏，曹斌，夏建新（中央民族大学生命与环境科学学院，北京１０００８１）摘要：近３０年来，固体物料的管道水力输送技术应用越来越广泛。在管道水力输送系统设计中，不淤临界流速是首先需要确定的重要参数，对确保管道安全输送具有重要意义。对于细颗粒物料，已有比较成熟的计算方法，但对粗颗粒物料，不同的计算式差异较大，给参数确定带来困难。在对已有的管道不淤临界流速计算进行比较分析基础上，探讨了颗粒浓度、粒径、密度

3、以及管道直径等因素对不淤临界流速的影响，并分析了计算式结构的差异。整理不同学者针对粗颗粒输送的试验数据，重点分析了不淤临界流速随颗粒粒径加大的变化规律。基于量纲分析法，提出了粗颗粒在管道输送中不淤临界流速计算式，其计算结果与试验数据相对误差在１０％以下，基本满足不淤临界流速计算的工程要求。关键词：粗颗粒物料；管道；水力输送；不淤临界流速中图分类号：ＴＤ５２２文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１６）０６－０１０３－０６固体物料管道水力输送因其效率高、成本低、环境友好等特点成为继公路、铁路和水运之后的第四大运输方式，如

4、昆钢大红山精铁矿输送管线长达１７１ｋｍ，年输送量高达６００万ｔ；正在建造的神渭输煤管线输送［１］［２－３］距离达到７５０ｋｍ。同时，管道充填采矿也被广泛采用。对于由细颗粒（粒径ｄ＜０?１ｍｍ）组成的浆体，管道输送技术已比较成熟。随着管道水力输送应用范围越来越广，许多工程要求直接输送粗颗粒，如建筑用砂最佳粒径在３～５ｍｍ，如过于细小则会影响混凝土的力学性能指标；深海采矿时管道提升的矿石粒径更粗，甚至可能达到３０ｍｍ，其原因是在深海海底进行矿石破碎成本很高，同时，细颗粒难以从尾水中去除，无法满足海洋环境保护的要求。不淤临界流速，即管

5、道水力运输过程中，固体物料能够连续输送、不淤积的速度。在此流速下，系统运行［４］安全可靠且消耗的能量较少。因此，不淤临界速度是管道输送工程设计首先要确定的重要工艺参数，也是评估管道输送安全的重要依据。目前国内外有关由细颗粒组成的浆体管道输送不淤临界流速的研究成果很多，但对于粗颗粒输送不淤临界流速的研究成果则较少，且计算式和结果之间均存在很大的差异，在管道工程设计时无法提供可靠依据。本文对现有的管道水力输送不淤临界流速计算式进行比较和分析，利用不同学者的试验数据，得到了适合粗颗粒物料管道水力输送的不淤临界流速计算式。１已有不淤临界

6、流速计算式关于固体物料管道输送不淤临界流速计算式已有很多（见表１）。对这些计算式结构和参数进行对比，不难发现不同学者的计算式在结构上有相似之处，如大多数都有不淤临界流速ｖ∝２ｇＤ（ｓ－１），ｓ为颗粒ｃ收稿日期：２０１５－１１－１３基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７９２１３，５１３３９００８，５１４３４００２）作者简介：邱灏（１９９０—），男，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事水沙环境方面的研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｈａｔｎｉｇｈｔ＠１６３．ｃｏｍ１０４水利水运工程学报２０１６年１２月ｍ与流体密度之比，Ｄ为管道直径。与固体体积

7、的关系为ｖ∝Ｃ，ｍ为正数，范围在０～０?３６，大部分在１／３左ｃｖｎ右。然而，临界流速与粒径的关系则差异很大，ｖ∝ｄ，指数ｎ有正有负，变化范围较大，反映粒径对不淤临ｃ界流速的影响比较复杂，还有待深入分析。表１不同学者的管道水力输送不淤临界流速计算式Ｔａｂ?１Ｆｏｒｍｕｌａｓｆｏｒｃｒｉｔｉｃａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｇｉｖｅｎｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｈｏｌａｒｓ与主要参数的关系序号作者计算式适用范围Ｃｖｄ０?２ｍｍ≤ｄ≤５?２５ｍｍ１／３Ｃｖ１Ｓｈｏｏｋ［５］ｖ＝２?４３２ｇＤ（ｓ－１）ｖ∝Ｃ１／３ｖ∝ｄ１／４１?５≤ｓ≤３?９５ｃ

8、Ｃ１／４ｃｖｃＤ４０ｍｍ≤Ｄ≤５８０ｍｍ０?２５ｍｍ≤ｄ≤２?０４ｍｍｄ２Ｗａｓｐ［６］ｖ＝３?４０Ｃ０?２２（）１／６２ｇＤ（ｓ－１）ｖ∝Ｃ０?２２ｖ∝ｄ１／６０?０１≤Ｃ≤０?２５ｃｖｃｖｃｖＤ２６?７ｍｍ≤Ｄ≤１３９?７ｍｍ０?２３ｍｍ≤ｄ≤５?３４ｍｍρ