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第9 卷 第 2 期 中国有色金属学报 1999 年 6 月 Vol. 9 No. 2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Jun . 1999 沉降性浆体在水平管道内输送时的水力坡度1 许振良 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院, 阜新 123000) 要 从固体颗粒加速期间清水与固体颗粒的速度变化、动量传递、相关质量等基本问题分析入手, 研究了沉降性浆体在水平管道内流动时其固体颗粒在 3 种流动状态下的水力坡度, 提出了沉降性浆体在水平管道内流动的机理模型, 进而用该模型对一些输送条件下的沉降性浆体的水力坡度进行了计算。对实际问题的理论计算结果与实测结果的对比分析表明, 该模型能比较精确地预计上述几种流动状态下水平管道内沉降性浆体的水力坡度。 关键词 沉降性浆体 附加压力 干涉力 水力坡度 中图法分类号 T D569 沉降性浆体在水平管道内流动时, 浆体内固体颗粒的输移状态决定着浆体管道输送水力坡度的大小, 弄清浆体内固体颗粒的输移状态与浆体管道输送水力坡度之间的关系, 是实现浆体既安全又经济地进行长距离管道输送的先决条件。本文从固体颗粒加速期间清水与固体颗粒的速度变化等分析入手, 研究了沉降性浆体中固体颗粒的移动状态与浆体管道输送水力坡度之间的关系, 提出了预计沉降性浆体管道输送水力坡度的新模型和方法。 固体颗粒的加速过程分析 沉降性浆体在水平管道内流动时, 固体颗粒在管内的运动速度要能从 0 加速至 Ts, 必然要得到来自于清水间的动量转让。固体颗粒由静止开始加速, 经过时间 t 达到一个稳定的速度, 并继续以该速度在管内向前运动来实现物料输送。根据 Rose 的试验研究可知, 固体颗粒加速时, 在固体颗粒加速管段上存在一个附加 压力 $P s, 其计算公式为[ 1] $Ps = 0. 56 W( 1) M * v m2 Q ( 1)  这里 M * = Dq?v s ( 2) ( 1 - q?) v w 式中 W( 1) 是系数; D= Qs/ Q; Qs, Q是固体颗粒和清水的密度; q?为定常流管段上固体颗粒平均体积浓度; v w , v s, v m 分别为定常流管段上清水、固体颗粒、沉降性浆体的平均速度。 固体颗粒加速期间的清水速度变化分析 在管口断面 A 上微小时间 $t 内排出的固体颗粒质量 M s 和清水质量 M w 之间建立动量平衡方程式则[ 2] * q?Qs v s2 ( 3) v - v w = ( 1 - q?) Qv w 式中 v 和v *w 为考察的这部分质量为 M w 的清水和固体颗粒发生动量交换前、后的流速。 质量为 M w 的清水由于与固体颗粒进行动量交换而减速。然而, 固体颗粒加速管段存在的附加压力 $P s 又使它的速度增加, 其增加量 [ 2] 1 收稿日期: 1998- 05- 08; 修回日期: 1998- 12- 09 许振良, 男, 42 岁, 工学博士, 教授 # 442 # 中国有色金属学报 1999 年6 月 $v w = A ( 1 - q?) $Ps $t $Ps ( 4) = A ( 1- q?) v w Q$t Qv w 质量为 M w 的清水在固体颗粒加速期间的 实际速度改变量为 v - v w = v - v w* - $v w ( 5) 由式( 5) 可进一步得到 v - v w* = k 1( v - v w ) ( 6) 且 k 1 = 1+ $v w / ( v - v w ) ( 7) 将式( 6) 代入式( 3) , 便可得到计算清水实 际速度变化量的计算公式为 v - v w = q?Qs v s2 ( 8) k 1( 1 - q?) Qv w 式中 k 1 的计算公式为[ 2] k 1 = 1/ [ 1 - 0. 5 W( 1) ] ( 9) W( 1) 的取值由图 1 的 W( 1) 与 lg ( v m2 / gdD2) 关 系曲线给出, 其中 d 为固体颗粒粒径, g 为重力加速度。 图 1 W( 1) 与 lg ( v 2m / gdD2 ) 关系图 Fig. 1 Relationship betw een W( 1) and lg ( v 2m/ gdD2) for two- phase liquid flow 定常流状态下固体颗粒的受力及运动分析 固体颗粒在管内结束加速过程后, 沉降性 浆体就进入了稳定的流动状态, 此时单个固体 颗粒的运动方程可由下式给出[ 3] P 3 Q dv s 6 d e( Qs + 2 ) dt = FD - F h = 0 ( 10) 式中 F D, F h 是固体颗粒所受