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水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2张羽,王昭玲,杨玉雯,等.基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):275-280.ZHANG Yu,WANG Zhaoling,YANG Yuwen,et al.Experimental study on hydraulic conveying of material storehouse based on circular spiral flowJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):275-280.基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究张 羽,王昭玲,杨玉雯,王相桥(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046)收稿日期:2022-10-01基金项目:2021 年郑州市科技协同创新专项(410102010201)作者简介:张 羽(1970),男,副教授,博士,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:zhy 通信作者:王昭玲(1997),女,硕士研究生,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:924454409 摘 要:圆管螺旋流水力输送物料仓系统将管道水力输送技术和螺旋流输固机理相结合,减少了水质污染、管道易堵塞磨损和耗能高等缺点。通过物理模型试验,研究了多种水流、边界因子对物料仓输送速度的影响。结果表明:系统中局部起旋管导流条安放角为 45时物料仓的输送速度最高,随着流量的增大输送速度增大,而随着物料密度的增大,物料仓的输送速度呈现减小的趋势。研究结果揭示了水流流量、物料仓密度对物料仓输送速度的影响程度,为圆管螺旋流水力输送物料仓系统的优化设计提供一定参考。关键词:物料仓;螺旋流;管道输固;量纲分析DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.045中图分类号:U173.9文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0275-06Experimental study on hydraulic conveying of material storehouse based on circular spiral flowZHANG Yu,WANG Zhaoling,YANG Yuwen,WANG Xiangqiao(School of Water Resourse,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,Henan,China)Abstract:The circular tube spiral flow hydraulic conveying material bin system combines the pipeline hydraulic conveying technol-ogy and the spiral flow solid conveying mechanism to reduce the disadvantages of water pollution,easy blockage and wear of the pipeline and high energy consumption.In this paper,the influence of various water flow and boundary factors on the conveying speed of material silo is studied by physical model test.The result show that the conveying speed of the material silo is the highest when the placement angle of the guide bar of the local rotating pipe in the system is 45.The conveying speed increases with the in-crease of the flow rate,and the conveying speed of the material silo decreases with the increase of the material density.The research result reveal the influence of water flow rate and material warehouse density on the conveying speed of the material warehouse,which provides a certain reference for the optimal design of the material warehouse system of pipe spiral flow hydraulic conveying.Keywords:material compartment;spiral flow;pipe conveying;dimensional analysis0 引 言0 引 言 随着管道水力输送技术的飞速发展,在冶金、煤炭、化工、水利等众多工业领域变得越来越广泛,充分体现了管 道 输 送 的 优 越 性 和 强 大 生 命力1。但传统的管道水力输送存在着各种各样的缺点,例如:一般的直流管道往往需要大流速才能输572张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期送高浓度的物料,因而造成高能耗2;输送浆体类物料会对管道内壁造成损坏和堵塞3;输送具有耐水抗磨特性型体类物料会对水质造成破坏。针对以上问题,管道水力输送技术和螺旋流输固机理相结合,提出了圆管螺旋流水力输送物料仓系统。将物料置于物料仓内形成密闭结构,在管道螺旋流的作用下实现旋移输送,物料仓避免了与管道内壁接触,且管道内是清水,可以起到循坏利用和环保的作用4。对于螺旋流输固技术,张羽等5采用模型试验与理论分析相结合的方式进行了泥沙在管道螺旋流中运动情况的研究,探讨了泥沙由推移转变成“旋移”所要求的水力条件和螺旋流用于高浓度输沙的可能性;任万森等6使用断面模型试验研究了固粒在螺旋管流的轨迹和分布;彭龙生等7对由物理模型试验得到的螺旋管流中固粒的分布特性进行了理论上的解释,说明了螺旋管流用于输移固粒的优越性。张羽等8基于物理模型试验针对不同起旋条安放角的排淤器进口流速分布特点进行研究,为利用螺旋流进行排淤研究奠定理论基础。经已有研究成果可知,螺旋流输固技术的关健在于管道中螺旋流的产生,而物料仓是在管道螺旋流的作用下输送,直接影响物料仓的运动和能耗,进而影响物料仓的输送速度。本文针对影响物料仓输送速度的各因素进行物理模型试验研究,并探讨各因素对物料仓输送速度的影响程度,为圆管螺旋流水力输送物料仓系统尽早应用于实际工程建立基础。1 试验系统与方案1 试验系统与方案1.1 物料仓的结构 物料仓主要由弹头、仓体、螺旋导叶及橡胶后盖四部分组成。具体结构如图 1 所示。注:1弹头;2仓体;3螺旋导叶;4橡胶后盖图 1 物料仓结构示意弹头的设计主要是为了使物料仓在水流中行进时减少水流对其的阻力,且弹头设计为空心,可用于装载物料;仓体作为装载物料的主体,是物料仓的重要组成部分,可用于装载不同种类甚至不同形态的物料,为圆柱体状,由透明有机玻璃管加工制作而成;在仓体部分的外壁环绕了一定角度的螺旋导叶,螺旋导叶的两端均要顺应水流的方向打磨成弧度,减少因螺旋导叶的厚度对水流产生的阻力。后盖为橡胶皮塞,使物料能够装载和卸载的同时,还要保证其良好的密闭性,防止水进入仓体使其密度发生变化和物料进入管道对清水造成污染。1.2 试验系统 整个试验系统主要由蓄水池、水泵、流量计、局部起旋管、进料管、物料仓等组成。整体结构三维模型如图 2 所示。主体管道采用内径 D=80 mm 透明亚克力圆管,各个衔接处通过法兰盘连接,方便拆卸,全长 5.9 m,试验管段长 4.2 m;所有管段都是透明亚克力材质加工制作,为方便观察物料仓在管道内的运动状况。注:1蓄水池;2水泵;3流量计;4局部起旋管;5进料仓;6试验管段图 2 圆管螺旋流水力输送物料仓系统的三维模型(单位:mm)1.3 试验方案 试验开始前启动水泵将蓄水池中的水注入管道,通过调节变频控制器调节水泵流量获取试验所需流量值,待流量稳定后,将物料仓装进下料装置,挡针落下挡住物料仓,下料装置下放入进料管,使物料仓中轴线与管道中轴线重合,拔出挡针,通过慢速摄像机录制物料仓在管道内运动情况,记录物料仓经过试验管段的时间,根据速度公式求取物料仓输送过程的平均速度。本文以流量、局部起旋管导流条安放角、物料仓密度、物料仓螺旋导叶角度为试验变量,采用控制变量法,研究 4 个变量对物料仓输送速度的影响程度。具体试验参数如表 1 所列。672张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 1 试验设计参数流量/Ls-1物料仓物料密度/gcm-3局部起旋管导流条角度/()物料仓螺旋导叶角度/()7.21.453008.01.6045108.71.7560209.41.903010.182.0540无2 试验结果与分析2 试验结果与分析2.1 不同流量下的物料仓输送速度 水作为圆管螺旋流水力输送物料仓系统的主要载体,是物料仓运动的主要动力来源,决定着物料仓的输送速度。因此,试验采用控制变量法,保持物料仓密度为 1.9 g/cm3不变,对试验结果进行分析,不同流量下物料仓的输送速度关系如图 3 所示。由图 3 可知,无论局部起旋管导流条安放角、物料仓螺旋导叶角度如何变化,管道流量与物料仓输送速度两者之间均近似呈线性关系。仅管内流量变化时,物料仓的输送速度随着流量的增大逐渐增大,且物料仓的输送速度与流量近似线性增长的关系。这主要是因为管道中水流与物料仓的运动之间存在耦合作用,即管内水流推动着物料仓运动,物料仓运动又反过来影响水流流场;所以当水流流量变大时,水流的 动能增大,给予物料仓的动力增大,进而影响物料仓的输送速度;所以物料仓受到的总动力是随着流量增大逐渐增大的变化趋势,因此物料仓的输送速度随着流量的增大而增大。2.2 不同密度下的物料仓输送速度 物料仓输送物料密度的多少也是圆管螺旋流水力输送物料仓系统中关心的一个重点。物料仓在管道输送过程中,一定会受到重力和浮力的作用,重力和浮力属于体积力,与物料仓的结构和密度密切相关。所以所输送物料密度的变化会使物料仓的受力产生变化,进而影响物料仓的输送速度。因此,确定管道流量为 10.18 L/s 的工况为例,研究不同密度对物料仓输送速度的影响,具体如图 4 所示。由图 4 可知,当其他量不变时,随着密度的增大,物料仓的输送速度呈现降低的变化趋势,呈反比例关系。当密度过大时,虽然可以一次性输送较多的物料,但是输送速度小;当密度过小时,一次性输送物料的量减少,但是其输送速度大。这是由于整个系统中仅有密度为变量时,管道中水流的总能量不变,物料仓所得到的总动力保持不变;而密度增大,也就是质量增大,物料仓向前运动所受到的阻力就增大,进而使得物料仓所受的总动力值降低,因此,物料仓的输送速度随之降低。从图中还可以看出,以密度 图 3 不同流量下的物料仓输送速度关系图 4 不同密度下的物料仓输送速度关系772张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期1.9 g/cm3为分界点,当物料仓密度小于1.9 g/cm3时,物料仓的输送速度随密度的增大时降低速率较慢,即曲线斜率较小;而当物料仓密度大于 1.9 g/cm3后,物料仓的输送速度随密度增大时的降低速率变大,即曲线斜率较大。2.3 不同局部起旋管导流条安放角下的物料仓输送速度 局部起旋管是局部改变圆管水流边界条件来产生螺旋流,影响着水流的运动状态,进而影响着物料仓的运动状态。因此试验选取物料仓密度为 1.9 g/cm3时,不同局部起旋管配置下物料仓输送速度的变化情况进行研究,具体如图 5 所示。由图 5 可知,在不同管道流量和物料仓螺旋导叶角度的情况下,当局部起旋管的导流条安放角为 45时,物料仓的输送速度最大;导流条安放角为 30的物料仓输送速度次之,导流条安放角为 60的物料仓输送速度最小。这是因为导流条安放角的大小影响着螺旋管流的产生及周向运动的强弱,随着局部起旋管导流条的安放角增大,管流中产生的螺旋流强度增大,给予物料仓的周向作用也增大,当导流条安放角为 60的工况下,管道中产生的螺旋流使物料仓在输送的过程中前后旋转波动幅度过大,导致产生的能耗过大,所以物料仓的输送速度相对较小。说明在局部起旋管的导流条安放角变化范围内,存在一个最优角度,使得物料仓在此角度下输送物料时,其输送速度最高。2.4 不同螺旋导叶角度下的物料仓输送速度 螺旋导叶固定于物料仓的外壁上,有无螺旋导叶及改变螺旋导叶的角度会使物料仓的结构发生变化;会影响水流的运动状态,同时影响物料仓的运动状态;进而影响物料仓的输送速度。因此,试验选取物料仓物料密度为 1.9 g/cm3时,对不同螺旋导叶角度下的物料仓输送速度的变化情况进行研究,具体如图6 所示。由图 6 可知,带螺旋导叶的物料仓输送速度略高于无螺旋导叶的物料仓,原因是有无螺旋导叶的物料仓结构不同,水流经过物料仓时的过水面积也不同,直接影响了水流对物料仓的作用。当有螺旋导叶的物料仓被放入管道内,管道缝隙面积将会减小,环隙流速将会增大,物料仓受到的水流动力也将增大,从而有螺旋导叶的物料仓输送速度相对大,而无螺旋导叶的物料仓输送速度相对小。所以有螺旋导叶的仓体相对于无螺旋导叶的仓体的输送速度还是有明显提升。从图 6 中还可以看出,螺旋导叶角度在020之间,物料仓的输送速度呈逐渐减小的趋势;当螺旋导叶角度大于 20后,物料仓的输送速度随螺旋导叶角度的增大有不同程度的上涨;而从整体来看,随着螺旋导叶角度的增大,物料仓的输送速度变化幅度很小。图 5 不同局部起旋管导流条安放角下的物料仓输送速度关系图 6 不同螺旋导叶角度下的物料仓输送速度关系872张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期3 基于量纲分析的敏感性分析3 基于量纲分析的敏感性分析 在研究某一物理过程时,目标是希望能将其本质过程表达为一种定量的函数关系f(x1,x2,x3xn)=0(1)式中,x1,x2,x3xn表示该物理过程包含有量纲的物理量及某些物理常数。假设 m 个变量是相互独立的,那么(n-m)个变量是非独立的,此物理方程式可转变为由(n-m)个量纲为一的量来表达,即 F(1,2,3.n-m)=0(2)式中,1,2,3n-m为(n-m)个量纲为一的量9。由此可见,利用 定理建模,首先应该确定影响物理过程的主要参数,再根据无量纲化确定各因素之间的函数关系,最终通过具体试验与函数关系相结合,获得精确地数学表达式形式。本文将以此为理论基础,对既往研究中取得的大量原始数据作进一步分析归纳。本文研究的圆管螺旋流水力输送物料仓系统,影响其输送速度的因素较多,现对下式中的影响因素进行分析f(v,Q,R,w,s,)=0(3)式中,v 为物料仓输送速度;Q 为管道流量;R 为管道半径;w为水密度;s为物料仓物料密度;为物料仓螺旋导叶角度;为局部起旋管导流条安放角。选取 Q、w、R 作为基本量纲,由量纲和谐原理可知,方程相等不仅要求两边的数值相等,其量纲的因素或指数也必须相等,由此上式中 7 个物理量可组合成 4 个无量纲 式,因此,推导如下无量纲速度1=vR2Q(4)无量纲密度2=sw(5)无量纲安放角3=(6)无量纲螺旋导叶角度4=(7)将各 项所对应的无量纲物理量带入公式(2),可得FvR2Q,sw,()=0(8)根据量纲分析原理,各 式可表示成幂积关系。因此,无量纲速度 1可由其他 3 个无量纲 式表达如下v=AQR2sw()B()C()D(9)式中,A、B、C、D 为待定常数。局部起旋管导流条安放角和物料仓螺旋导叶角度因为改变了水流边界条件,都会使管道水流产生螺旋流。根据试验数据结果可知,对局部起旋管导流条安放角 和物料仓螺旋导叶角度 分别分析其对物料仓输送速度的影响较小。因此,通过定量分析局部起旋管导流条安放角 和物料仓螺旋导叶角度 之间相互作用与物料仓输送速度的关系,将公式(9)变换为如下形式 v=AQR2(sw)B(1+|-|)C(10)具体形式将由实际的试验数据得出。根据本文试验装置条件,可实现控制的物理量有4 个:流量 Q、局部起旋管导流条安放角 、物料仓物料密度 s、物料仓螺旋导叶角度 。水流流量 Q取 7.2 L/s、8.0 L/s、8.7 L/s、9.4 L/s、10.18 L/s,局部起旋管导流条安放角 取 30、45、60,物料仓螺旋导叶角度 取0、10、20、30、40,物料仓物料密度 s取 1.45 g/cm3、1.60 g/cm3、1.75 g/cm3、1.90 g/cm3、2.05 g/cm3。根据正交试验设计原理,结合上述的量纲模型分析,设计了基于量纲模型关于物料仓输送速度的试验方案,4 个变量两两相交,试验次数为 29 次,对试验数据进行多元线性回归分析,输送速度与各影响因素之间的无量纲函数关系为v=175.91QR2(sw)-1.91(1+|-|)0.392(11)由各无量纲 式的函数关系可知,管道流量 Q、物料仓物料密度 s、局部起旋管导流条安放角 和物料仓螺旋导叶角度 之间相互作用对物料仓输送速度的影响显著。根据上述分析可以看出物料仓的输送速度受到多个因素的影响,因此,在以后的试验研究中要综合考虑多方面的因素影响,选择较为合适的物料仓密度、螺旋导叶角度、管道流量和局部起旋管导流条安放角,争取在获得较大物料仓输送速度的同时满足整个系统的安全性和经济性。972张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期4 结 论4 结 论 本文通过建立圆管螺旋流输送物料仓系统的物理模型,对影响物料仓输送速度的 4 个因素进行了试验研究,并基于量纲分析的 定理分析了这 4 个因素对物料仓输送速度的影响程度,得出以下主要结论:(1)物料仓的输送速度随着管道水流流量的增大而增大,二者近似线性增长关系。(2)物料仓的输送速度随着密度的增大而减小,二者呈负相关关系;其中密度在 1.451.90 g/cm3之间物料仓输送速度的变化幅度很小,密度在 1.90 2.05 g/cm3之间物料仓的输送速度的降幅大。(3)当局部起旋管的导流条安放角为 45时物料仓的输送速度最高,安放角为 30的输送速度次之,安放角为 60的输送速度最低。(4)有螺旋导叶物料仓的输送速度明显大于无螺旋导叶物料仓的输送速度,且有螺旋导叶的物料仓随着螺旋导叶角度的增大其输送速度的变化幅度很小,即螺旋导叶角度对物料仓的输送速度影响很小。(5)基于量纲分析得到各无量纲式的函数关系可知,管道流量、物料仓物料密度、局部起旋管导流条安放角和物料仓螺旋导叶角度之间相互作用对物料仓输送速度的影响显著。参考文献:1 费祥俊,马妍,韩文亮.固液两相非均质流管道输送稳定性评判标准的研究J.水力采煤与管道运输,2014,9(3):1-3.2 张羽,张仙娥,彭龙生.圆管螺旋流输沙特性试验研究J.泥沙研究.2005(2):34-38.3 张德山.矿浆管道输送技术的发展与展望J.现代国企研究,2016(4):212-213.4 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