矿用潜污泵排水系统液固两相流的研究.pdf

第 3 1卷 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No r t h Ch i n a I ns t i t u t e o f Wa t e r Co n s e r v a n c y a nd Hy d r o e l e c t r i c Po we r V0 1 31 NO 6 De e 2 01 0 文章 编 号 ： 1 0 0 25 6 3 4( 2 01 0) 0 60 0 7 30 3 矿 用潜 污 泵 排水 系统 液 固两相 流 的研 究 高传 昌 ，赵 礼 ，黄 晓 亮 ，王 玉 川 ( 华 北 水 利 水 电学 院 ， 河 南 郑 州 4 5 0 0 1 1 ) 摘 要 ： 利用组合潜 污泵 系统 可以高效地将煤矿水仓 和老空突水灾 害中的煤水混 合物外排 ， 但煤泥浓度及 颗 粒直径直接影响管路系统的水力特性 ， 并影 响排 污泵 的性 能和效果 对不 同浓 度 、 不 同粒径 、 不同管路形式 的 水 力 特性 进 行 了 理 论 计 算 ， 建 立 了相 应 的理 论 模 型 ， 计算 结 果 可 为 煤 矿 水 仓 清 理 及 老 空 突 水 抢 险 排 水 的应 用 提 供 依 据 关 键 词 ： 潜 污 泵 ； 工作 扬 程 ； 液 固两 相 流 ； 理论 模 型 中图 分 类 号 ： T H3 l 1 文 献 标 志 码 ： A 煤 矿开 采 中 ， 会涌 出一定 量 的矿井 水 ， 并 汇集 于 水 仓 ， 使 水仓 中煤 泥 的体 积 浓 度 最 大达 3 0 ， 粒 径 最 大达 1 0 mm， 密度 在 1 2 0 01 6 0 0 k g m 实 际 生 产 过程 中 ， 应 及 时将 煤 水 混合 物 外 排 ， 并 加 以利用 ， 使 其充 分资源 化 ； 否 则 ， 煤 泥 会沉 淀 于 水 仓 底部 ， 减 少水仓 的有效 容积 另外 ， 针对 含有 煤泥 的老 空突水 灾 害 ， 利 用组合 潜 污泵系 统可 以高 效快速 排水 抢 险 但是 利用 潜污 泵对 煤 水混 合物 进 行 外 排 时 ， 由于煤 泥浓度及 颗粒 直径 的影 响 ， 管 路 系统 的水 力 特性 发 生 变化 ， 直接影 响排 污泵 的性 能和效 率 ， 运 用 流体动 力学 及 多相流 理论 ， 对不 同浓 度 、 不 同 粒 径 、 不 同管 路形 式 的水力 特性 进 行 了理 论 计 算 ， 并 编 写 了相 应 的计 算程 序 ， 计 算结 果 为 潜 污 泵及 其 管 路 系统 在 煤 矿水 仓 清理及 抢险排 水 中的高 效运 行提供 了依 据 1 理论模 型 a 临界不 淤 流速 的杜兰德 经 验公式 为 ： 一 U f 2 g d 1 = F ： 1 3 4 ， ( 1 ) P ， n V： ， ( 2 ) A 式 中 ： 为 临界 不淤 流 速 ； F 为 煤 泥 浓 度及 粒 径 的 函数 ， 在 煤泥 粒径小 于 1 mm时 ， F 和粒径 及含煤 泥 量均 有关 系 ； 但 当输 送 的物料 大 于 1 m m 以后 ， 临 界 流速 与煤 泥粒 径及 含煤 泥量 的关 系均 不 大 ， 这 时 F ， 接 近一 个 常数 1 3 4 ； 但 当输 送 的物 料 大 于 1 m m 以 后 ， 临界 流速 与煤泥 粒径 及含煤 泥量 的关 系均不 大 ， 这 时 ， 接近 一个 常 数 1 3 4 ； d为 管道 直 径 ； p 为 煤 泥密 度 ； p为清水 密度 ； V为管道 内平 均流 速 ； Q为 管 道 内的流 量 ； A为管 道 内过 流断 面 的面积 当 VU ， 时 ， 满足管 道不 淤条件 b 单 位 距 离 水 平 管 路 的 阻 力 损 失 计 算 如下 一 ： ( a ) 煤泥 均匀悬 浮 ( 煤 水均 匀混 合 ) 时 ， J = J o,S = J w 【 ( ) 】 ( 3 ) A 寺 ， ( 4 ) 一 g ( + ) Re：一1 , d ， ( 6 ) ： ( 7 )0 0 3 3 t 0 0 0 0 2 2 t U： ， l+ 7 + 1 ( b ) 煤 泥不均 匀悬 浮时 ， 收 稿 日期 ： 2 01 01 01 5 基 金项 目 ： 水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 经 费 项 目( 2 0 0 8 0 1 0 1 1 )； 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目( 5 0 3 7 9 0 1 3) 作者简介 ： 高传昌 ( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 河北邯郸人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事流体机械及工程方面的研究 7 4 华北水利水 电学院学报 2 01 0年 l 2月 ： 1 2 _， 。 u D P 一P gd P ，( 8 ) D： f 6 a b_ z _c 1 ， ( 9 ) 、 竹， 式 中 ： ， ， 为 同 流速 下 输 送 清水 时 的阻 力 损 失 ； S 为煤 水混合 物 的 比重 ； 为 煤 泥 的容 积 比； A为 管 道 沿程阻力 系数 ； z 为 管 道 长度 ； R e为雷 诺 数 ； k 为 工 业 管 道 的 当 量 粗 糙 度 ， 钢 管 的 当 量 粗 糙 度 为 0 0 0 0 0 4 6 11 1 ； 为水 的运 动粘性 系数 ； 为 管道 内的 平 均流速 ； t 为温 度 ； 为管 道两 相 流 中固 体颗 粒 的 沉速 ； a ， b ， C 分 别为 固体颗 粒长 、 中 、 短 3轴 的直径 ； 为煤 泥颗粒 的有效直径 C 单 位距离垂 直管路 的阻力损 失计 算 垂直 管路 中 ， 当 固体颗 粒 的沉 速 U时 ， 图1 计算机程序框图 ， = -， s ( ) ， ( 。 ) 3数 值 计 算 ， ：A 毛 ， ( 1 1 ) 3 1 计 算 数 据 _ l 5 ( 詈 ) ( ) ， ( 1 2 ) 当固体颗 粒 的沉 速 和 U数 量 级 相 当 时 ， 应 对 式 ( 1 0 ) 作 出修正 ： 5 ( 式 中： U为煤水 混 合 物 的平 均 流 速 ； U 为液 体部 分 的平均流 速 ； 管路 中流体 向上 运动 时取 正 ， 向下运动 时取负 d 单 位距离倾 斜管路 的阻力损 失计算 如下 ： ( 0 )c osO + S ( ( 14 ) 0 ) c湖 堋 芝 e osO ( 15 ) ， =A l ， ( 1 6 ) C D=0 4 3， ( 1 7 ) 式 中： J ( 0 ) 为水 平管路 二相流 中由于煤泥 的存 在所 增加 的单位距 离能量损 失 ； C 。为煤粒 在浆 液 中沉淀 时的阻力 系数 ， 当雷诺 数大 于 1 0 0 0时 ， 取 0 4 3 2 程序编制 根据理论模型编制计算机程序 ， 计算框图如 图 1所 示 潜 污泵 的型号 ： I T TF L Y G T ， 抽 吸清水 时 ， 额 定 流量 7 0 m h ， 额定扬 程 7 0 m， 出 口直径 1 0 0 m m； 水 仓 中煤的粒径 d 1 0 m m， 体积浓度 3 3 0 ， 煤 泥 密度 1 2 0 01 6 0 0 k g m ， 煤 矿 中煤 水 混 合 物 的 平 均温度 2 5 c I = 3 2计算 结果 根据计算 数据 ， 分别计算 垂直 管路 、 不 同倾 角管 路 、 不同煤 泥浓度 下潜 污 泵工 作 扬程 与 不 同倾 角管 路 的关 系 ， 水平 管路 输 送不 同粒径 下 水平 输 送距 离 与煤 泥浓度关 系 ， 计算 结果如 图 2 5所示 3 3结果分析 a 由图 2可 知 ， 在 垂 直管 路 中输 送 不 同体 积 浓 度的煤泥 时 ( 煤粒 直径按 平 均粒 径计 ) ， 潜 污泵 的工 作扬程 日 随着煤泥 体积浓 度 s 的增加 而基本呈 线 性 减小 b 由图 3可见 ， 潜 污泵 工作 扬 程 随煤 泥体 积浓 度 s ， 的增加呈 非线性减 小 ， 且对 同一煤泥 体积 浓度 时 ， 输 送煤 泥管 路 倾 角越 大 ， 潜 污泵 T 作 扬 程 越 高 C 由图 4可知， 在不同煤泥体积浓度下， 潜污泵 工作扬 程 H 随输 送管路 的倾 角增大 而 呈非 线性 提 高 ， 且对 同一倾 角输 送 管路 ， 体 积 浓度 越小 ， 潜 污 泵 工作扬 程越高 d 由 图 5可 知 ， 潜 污泵 水平 输 送 煤泥 的距 离 随 煤 泥体 积浓度 的增加 而 呈 非线 性 减小 ， 而 且 随煤 泥 第 3 1卷第 6期 高 传 昌 ， 等 ： 矿 用 潜 污 泵 排 水 系 统 液 固 两 相 流 的 研 究 7 5 平 均粒 径 的增 加 ， 水 平输 送距 离减 小 6 3 4 3 6 0 7 5 5 6 O 6 5 5 3 0 5 2 7 O 5 0 O 2 0 0 3 0 0 0 8 4 0 1 3 8 O 1 9 2 0 2 4 6 0 3 0 0 图 2垂 直 管 路 扬 程 与 浓 度 曲线 63 46 58 6 2 4 4 1 O 3 9 2 6 O 3 6 5 4 7 2 9 0 0 (。) 图 4不同浓 度下管路倾角 与扬 程关系 4 结 语 a 通 过数 值计 算 和 结果 分 析 可 知 ， 潜 污 泵 工 作 扬程 随输送 管路 的倾 角 增 大 而 提 高 ， 随输 送 煤 泥 平 均粒径 和浓度 的增 大而 降低 b 当输送 煤泥 管 路 的倾 角 为 8 0 。 9 0 。 时 ， 潜 污 泵 工作扬 程 随煤泥 浓 度 增 大 基本 呈 线 性 降 低 ； 当输 送煤 泥管 路 的倾 角小 于 8 O 。 时 ， 潜 污 泵 工 作 扬 程 随 煤 泥浓度 的增 大呈 非线性 降低 以上 的计算 结 果 ， 对 煤矿 老 空 突水 及 水 仓煤 泥 的输 送具 有实 际指 导 意 义 ， 已应 用 于某 煤 矿 的 老空 突水 排水抢 险 ， 并 取得 了成 功 6 3 4 6 5 8 6 2 5 3 7 6 蕾4 8 9 4 4 4 1 O 3 9 2 6 0 -8 0。 0 =7 0 。 0=60。 0 =5 0。 0 - 4 0。 0 0 3 0 0 0 8 4 0 1 3 8 0 1 9 2 0 2 4 6 0 3 0 0 图 3不 同 倾 角 下 扬 程 与 浓 度 曲 线 d = 5mm d =6mm d =7mm d =8mm 0 0 图 5不 同粒径下管 路铺设长度与浓度关 系 参 考 文 献 钱 宁 ， 万 兆 惠 泥 沙运 动 力 学 M 北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 柯 葵 ， 朱立 明 ， 李 嵘 水 力学 M 上海 ： 同济 大学 出版 社 ， 2 0 0 0 王绍周 管 道 运 输 工 程 M 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 2 0 0 4 高传 昌， 尚华 ， 刘新 阳， 等 脉冲液体 射流泵 时均值基本 方程 中的流 速 系数 J 水 利水 电科技 进 展 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 1 ) ： l 3一l 5 陈 杰 Ma t l a b宝 典 M 北 京 ： 电 子工 业 出版 社 ， 2 0 0 7 Re s e a r c h on t he Li q ui d s o l i d Two- pha s e Fl o w o f Dr ai n a g e S y s t e m f o r Sub m e r s i b l e Se wa g e M i n e Pump GAO Ch u a n c h a n g，ZHAO L i ，HUANG Xi a o l i a n g，W ANG Yu - c h ua n ( No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ) Ab s t r ac t ：The c o mb i ne d s u bme r s i bl e s e wa g e p u mp s y s t e m c a n e f f i c i e n t l y d i s c h a r g e c o a l wa t e r mi x t u r e f r o m t h e c o l l i e r y s ump a n d wh e n t he d i s a s t e r o f wat e r i n r u s h o c c ur s i n o l d g o a f s Ho we v e r ，c o a l s l u r r y c o nc e nt r a t i o n a n d p a r t i c l e s i z e d i r e c t l y a f f e c t t he h y dr a ul i c c h a r a c t e r i s t i c s o f p i p el i ne s y s t e m a n d t he p e r f o r ma nc e a nd e f f e c t i v en e s s o f t h e s e wa g e p ump I n v i e w o f t h i s ，t h e h y dr a ul i c c ha r a c t e r i s t i c s i n d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o ns ，d i f f e r e n t s i z e s a n d d i f f e r e nt pi p e l i n e f o r ms we r e c a l c u l a t e d a n d t h e c o r r e s p o n di ng mo de l wa s b ui l t The r e s ul t s c o u l d p r o v i de p r a c t i c a l b a s i s f o r c o l l i e ry s u mp c l e a ni n g a nd e me r g e n c y dr a i n a g e f r o m o l d g o a l s i n whe r e wa t e r i nr u s h o c c u r s K e y wor ds：s u bme r s i bl e s e wa g e pu mp；wo r k i n g h e a d； l i q ui d s o l i d t wo p ha s e f l o w； t h e o r e t i c a l mo de l ( 责 任 编 辑 ： 陈 海 涛 ) 舛 g i 1 j 1 j 1 j l 2 3 4 5 rr L rl