管道加气助送模型与原型相似性及试验台设计

2012-08-10孔建益饶润生

湖北工业大学学报 2012年4期

汤勃，孔建益，饶润生

（1武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081；2武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063）

目前绞吸式挖泥船疏浚作业时泥浆的排放是以泥沙和水形成固－液两相流的方式进行的，这种方式排距短、能耗高、效率低.为延长排距常采用中间接力泵站，但此法投资大.采用气体助送泥技术，即以一定的方式向排泥管加入一定的气体，在排泥管中形成气－固－液三相流，可以达到延长排距、提高效率、环保节能的目的.

为研究加气助送泥管道输送技术，弄清管道流量、泥浆浓度、加气压力及加气量等参数对减阻助送效果的影响，加上对实物进行试验会有很大经济上等方面的困难，所以进行模型试验研究方法.在此基础上，将试验结论转换到原型，这就需要相似理论来指导［1］.为此，应对模型（实验台）与原型（挖泥船排泥管）的相似关系进行分析，以此作为设计实验台的依据.

1 试验台与实船的相似关系分析

1.1 试验台相似准数的推导

泥浆在管道中的流动状态可近似为粘性不可压缩流体的非定常等温流动，由微分方程式经过相似转换获得相似准数，也可从控制物理现象的作用力的一般表达式出发，求出各种力的比尺关系式，然后根据各种作用力之比必须相等的动力相似准则，求出相关的比尺关系式.三相流管道浆体运动的作用力可以认为是：重力、惯性力、粘滞力和紊动阻力，它们的一般表达式及相应的比尺关系式为［2］：

重力比尺

式中，ρ为流体密度，g为重力加速度g，l为物体的特征长度；下标y表示原型，m表示模型，λ及其下标的组合表示各种比尺.

惯性力比尺

式中，a表加速度.

粘性力比尺

式中，V为特征速度.

紊动剪力比尺（以与水流方向平行的平面剪力为例）

式中，l为流体的几何尺度，u／沿x轴的脉动流速.

由惯性力重力比相似比尺关系式可得弗汝德相似律

或

由惯性力粘滞力比相似比尺关系式可得雷诺相似律

或

由惯性力紊动剪力比相似比尺关系式可得紊动阻力相似律

或

由压力与惯性力的相似比尺关系式可得到欧拉相似律

或

由流速、长度和时间三者之间的关系可得时间相似律

或

上述关系式是决定三维紊动水流比尺关系的依据.

1.2 原型的流动状态

试验研究的原型是1 750m3／h绞吸式挖泥船排泥作业，该船的主要技术参数如下.

挖泥产量为1 750m3／h，泥泵总流量为8 000 m3／h，双泵串联总扬程为90m，设计标准排距为2 000m，排泥管直径为700mm，泥浆浓度为15%～18%.

影响泥浆在管道中运动的物理量主要有平均流速V、通道尺寸L、压力降ΔP、重力加速度g，以及流体的密度ρ，粘性系数μ等.

泥浆在管道内流动的浓度不高，基本上属于牛顿体.常温20℃的清水的雷诺数为

因Re远大于104，故管道内的流动处在紊流阻力平方区.

1.3 各相似准数在模型中的作用分析

在上述的相似准数中，要想完全满足各个相似准则一般是不可能的，所以要找出主要矛盾，舍弃次要条件，以使问题得到合理的解决［3－4］.

1.3.1 重力相似准则在管流中，流体由泵加压输送，属于有压强迫流动，重力对流动的影响很少而忽略不计，故试验时可略去Fr准则.

1.3.2 时间相似准则（斯特鲁哈数相似准则）在管流中，虽然处在紊流状态，但其时均值是不变的，可将把流体中某一质点沿某一方向的速度按

来处理.这样St准数就可不考虑.

1.3.3 紊动阻力相似准则在管流中的紊动剪切应力

沿流动方向上单位面积的紊动剪切应力

写成比尺关系式为

可得

即原型与模型的沿程阻力系数相等.

1.3.4 压力相似准则（欧拉相似准则）此相似准数若用压差表示，即

而流体流过工程设备时，其压力损失与其动压头成正比，即

由此可知

因此欧拉数不是定性准数，在阻力相似中能自动得到满足.因原型处于阻力平方区，此时阻力系数与雷诺数无关，只与管壁的相对粗糙度（Δ／D）有关.

1.3.5 层流粘性阻力相似准则（雷诺相似准则）

因原型阻力系数与Re无关，但与相对粗糙度Δ／D有关，故试验只需安排在Re＞104的条件下进行.所以模型中的Re数不必与原型的相等.在管流相似中主要是阻力相似，试验管流速度应满足Re＞104.

2 试验台总体构造

本试验装置由管道输送系统、搅拌系统、加气系统和测控系统组成（图1）.

2.1 管道输送系统

试验装置设计为闭式循环系统，即泥浆从泥池吸出仍排回泥池中.

1）主泥浆泵：型号6／4L×L－N－19，扬程19m，流量115m3／h；电机功率15kW，转速1 450r／min.

2）排泥管：内径122mm，管道总长145m，测量长度130m，在75m处由180°弯头将泥浆输入泥池以便循环.

3）玻璃管：用以观察泥浆在管道中的流动状态，在管道的15m和120m处各设一根，长1m.

图1 加气助送试验装置结构图

2.2 搅拌系统

主要由搅拌泵和泥浆池组成.搅拌泵使泥浆池中泥砂和水通过搅拌而尽可能充分混合，以模拟原型的泥浆环境.

1）泥浆池：内径2.7m，容积9m3.

2）搅拌泵：LZ－WP型污水泵，扬程42m，流量90m3／h；电机功率22kW，转速2 950r／min.

2.3 加气系统

用于向管道中加入气体，包括射流泵、空气压缩机、空气瓶、各种气阀和气液混合装置即喷嘴组成.在输泥管分出一路支流，经射流泵增压后从喷嘴重新加入到输泥管中.压缩空气的压力及流量及相应的气阀控制，由喷嘴加入到排泥管.

1）空气压缩机：流量 0.9m3／min，额定压力0.7MPa，功率为7.5kW.

2）射流泵：型号50ZW15－30，流量15m3／h，转速2 900r／min，扬程30m.

3）空气瓶：试验压力0.77MPa.

4）加气喷嘴：采用旋转射流装置，将旋转射流水、气混合喷射喷嘴将空气细化，压缩空气平行从切向进入喷嘴锥形内腔做圆周运动，经旋转加速后空气被破碎成微小气泡，然后从喷嘴喷出形成锥环状射流喷向主管壁.另一路压缩空气由轴向进入喷嘴，加强旋转射流的轴向速度［5］.

2.4 测控系统

测控系统主要由上位机、下位机（带有标准接口的智能仪表）和相应软件构成主从式多机通讯系统.其中下位机测量的信号主要有管道沿线压力、气体流量和管道流量.

测试系统框图如图2所示，其测试流程为：下位机对各传感器传送来的模拟信号经调节放大后变成0～5V直流电压信号，再进行A／D转换.上位机通过RS232／RS485转换器和RS485总线与下位机通信，构成主从式多机通信系统.上位机轮流发出各下位机通信命令，将测量的实时数据从串行口读入上位机，以便显示、分析和存储.