不同雷诺数条件下筒装料管道水力输送的水力特性研究

摘要

随着科技和现代社会的飞速发展，我国的经济规模不断扩大，国民环保意识不断增强。公路运输、铁路运输、水路运输和航空运输作为传统的交通运输方式已经不能满足飞速发展的社会需求，寻求一种新型的节能环保的运输方式已经迫在眉睫。
　　 筒装料管道水力输送正是在这种大背景下提出的，它是一种新型的运输方式，是对现有运输方式的一种补充和完善。它的主要优点节能环保等正好符合“十二五”规划的纲要，是一种适合于可持续发展的运输方式，具有广阔的发展前景。本文结合国家自然科学基金项目“筒装料管道水力输送的水力特性研究”(50579044)，采用理论分析和模型试验相结合的方法对不同雷诺数条件下的筒装料管道水力输送的水力特性进行了研究。主要得出以下成果：
　　 (1)对管道车在运行过程中的受力状况进行了分析，从管道车受力的特点出发建立了管道车稳定运行时的数学模型，该数学模型与试验数据相吻合。
　　 (2)建立了雷诺数与管道车运行平均速度的关系，得出管道车运行平均速度随着雷诺数的增大而增大，两者接近于正比例关系；在雷诺数一定的情况下，对于同一车型而言，管道车的平均速度随着输送荷载的增大而减小。
　　 (3)管道车运行到不同位置时，无论输送荷载、车型怎么变化，雷诺数的大小变化不影响整个管路压力分布的整体趋势，压力值都随着距离的增大而减小；但是会影响压力变化的幅度，直管段的压力降最小，平弯管段次之，斜弯管段的压力变化幅度最大；车型相同，输送荷载相同的情况下，各个测点压力值随雷诺数变化的趋势基本相同，都是随着雷诺数的增加，压力值不断增加。
　　 (4)各个测试断面压力随时间变化的基本趋势相同，压力值都是先降低，后升高，成倒“几”字分布。具体来说，当管道车未到达测试断面时，测压管水头基本保持不变；即将移动到测试断面时，测压管水头急剧下降；管道车移动到测试断面时，测压管水头降到最低点：管道车刚刚移动到测试断面时，测压管水头又会急剧上升到一定值并且保持一段时间；管道车运行出测试断面一定距离后，测压管水头值基本上恢复到未放入管道车之前的压力值。
　　 (5)从形成机理上对管道车水力输送能量损失进行划分，其能耗主要由3部分构成。一部分是水流在管道中运行时的能耗；一部分是水流绕过管道车损失的能量；另一部分能量损失是转化为管道车动能的能量和转化过程中克服摩擦阻力等做功所消耗的能量。
　　 (6)管道车在不同输送荷载、不同型号、不同雷诺数条件下，管道中沿程能耗分布曲线的趋势都是相同的，都是随着距离的增加，能耗值不断增大；输送荷载一定，车型一定时，总能耗值随着雷诺数增加而不断增加。
　　 (7)综合考虑管道车的运行速度和能耗两个重要的指标，得出管道车的输送效率随着雷诺数的增加呈现先增加后减小的趋势，在雷诺数为200000时取到最大值。
　　 (8)用量纲分析的方法，建立了筒装料管道水力输送的能耗公式；同时运用标准回归系数法对影响管道车运行速度和输送能耗的各个影响因素进行了敏感性分析。
　　 本文的研究成果对筒装料管道水力输送技术的发展具有重要的参考价值，为该技术提供了宝贵的试验数据，为合理设计管道车以提高输送效率、加快筒装料管道水力输送技术使其尽快实现工业化提供了重要的理论依据。