基本信息
- 项目名称：
- 颗粒物料在管道水力输送中运动形态与阻力变化规律研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 管道水力输送是固体物料高效节能的运输方式之一。本文利用管道水力输送试验研究了不同粒径、浓度以及输送速度条件下颗粒物料在管道中运动形式的变化和阻力变化规律。采用现代高速摄影技术分析了颗粒在管道中运动的形式，并利用专业图像软件分析颗粒不同运动形式。得到了输送运动状态、水力坡度公式等多项研究成果。
- 详细介绍：
- 固体物料管道水力输送技术是尾矿充填、水力输煤等实际工程应用的基础，尤其是比较难以输送的粗颗粒物料。本作品基于试验数据提出了粗颗粒在管道中的最佳输送形式和压力损失计算公式，为工程应用提供了设计依据，具有重要的应用价值。该技术对减少矿渣污染，尾矿坝溃坝风险以及大宗颗粒物料输送工程节能减排具有重要的现实意义。 本文利用管道水力输送试验研究了不同粒径、浓度以及输送速度条件下颗粒物料在管道中运动形式的变化和阻力变化规律。采用现代高速摄影技术分析了颗粒在管道中运动的形式，并利用专业图像软件分析颗粒不同运动形式。得到以下主要结论：1）水平管道中粗颗粒的运动状态可分为悬移、滚动推移和滑动推移三种。滚动推移输送速度较低，输送量较小，不满足应用需求，而悬移仅在颗粒小和高速水流作用才能出现，能耗较大，滑动推移可作为粗颗粒物料的主要运动形式；2）基于试验研究结果提出粗颗粒在水平管道中运动状态由滚动推移向滑动推移转变时的临界决定条件计算公式；3）依据粗颗粒在不同运动状态下水力坡度的变化规律，利用量纲分析原则，提出了管道压力损失计算公式。从颗粒运动力学机制的微观分析入手，提出了面向工程应用的宏观参数计算公式，为管道水力输送系统设计提供理论依据。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 固体物料管道输送技术作为一种新型物流技术具有清洁、节能、不受其他因素干扰的特点，近年来，管道水力输送技术已在很多领域获得应用，如尾矿充填、水力输煤、矿石输送等。本作品设计一套管道水力输送模拟试验系统，以粗颗粒石英砂作为输送物料，研究了管道中不同粒径颗粒在水力作用下运动形式变化及其临界条件，并测量了管道输送的阻力变化。基于试验结果，提出了粗颗粒物料输送速度和压力损失计算公式。
科学性、先进性及独特之处
- 作品的科学性：（1）基于大量颗粒微观运动形式的观察分析，提出了颗粒水力输送参数确定的依据；（2）基于大量的管道输送试验结果，提出了输送阻力计算公式。 先进性：表现在测试方法和手段上，利用高速摄影机从不同角度立体拍摄颗粒运动形式，并利用专业图像软件进行分析，提出了颗粒不同运动形式及其临界决定条件。 本作品独特之处是既有基于力学机制的微观分析，又有面向工程应用的宏观参数计算公式，研究深入透彻。
应用价值和现实意义
- 固体物料管道水力输送技术是尾矿充填、水力输煤等实际工程应用的基础，尤其是比较难以输送的粗颗粒物料。本作品基于试验数据提出了粗颗粒在管道中的最佳输送形式和压力损失计算公式，为工程应用提供了设计依据，具有重要的应用价值。该技术对减少矿渣污染，尾矿坝溃坝风险以及大宗颗粒物料输送工程节能减排具有重要的现实意义。
学术论文摘要
- 管道水力输送是固体物料高效节能的运输方式之一。本文利用管道水力输送试验研究了不同粒径、浓度以及输送速度条件下颗粒物料在管道中运动形式的变化和阻力变化规律。采用现代高速摄影技术分析了颗粒在管道中运动的形式，并利用专业图像软件分析颗粒不同运动形式。得到以下主要结论：1）水平管道中粗颗粒的运动状态可分为悬移、滚动推移和滑动推移三种。滚动推移输送速度较低，输送量较小，不满足应用需求，而悬移仅在颗粒小和高速水流作用才能出现，能耗较大，滑动推移可作为粗颗粒物料的主要运动形式；2）基于试验研究结果提出粗颗粒在水平管道中运动状态由滚动推移向滑动推移转变时的临界决定条件计算公式；3）依据粗颗粒在不同运动状态下水力坡度的变化规律，利用量纲分析原则，提出了管道压力损失计算公式。从颗粒运动力学机制的微观分析入手，提出了面向工程应用的宏观参数计算公式，为管道水力输送系统设计提供理论依据。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]甘正旺, 许振良. 推移质间相互作用力研究[J]. 管道技术与设备, 2005, 2: 3-5. [2]林愉, 黄以细. 洁净煤柱的实验研究和性能分析[J]. 中国矿业, 2006, 15(6): 84-90. [3]路展民, 杨秀芝, 垂直管湍流液－固流中大颗粒的相对速度[J]. 力学学报, 1999, 31(1): 29-36. [4]孟庆华, 许振良. 水平管道中固体颗粒推移和悬移状态的判别[J]. 水力采煤与管道输送, 2005, 12(4): 3-5. [5] 邹伟生.深海采矿扬矿管的运动对流动参数影响的研究[J].矿冶工程,2003,23(3):12-14. [6] 汪东.非均质流水平管道临界流速研究[J].矿冶工程, 2008, 28(4):20-22. [7] 孟庆华,许振良.水平管道中堆积速度的确定[J].管道技术与设备,2005,6: 3-4,21. [8] 费祥俊.浆体与粒状物料输送水力学[M].北京:清华大学出版社,1994. [9] 倪福生,齐帜.管道输沙两层流动模型分界面位置的确定[J].中国港湾建设,2008,1:13-15.
同类课题研究水平概述
- 管道水力输送是水力采煤、深海采矿、尾矿回填等实际工程运用的技术基础，具有广泛的应用前景，国内外研究者对管道水力输送的相关方面做了不少的研究，主要有以下几个方面： 粗颗粒个体在管道中的运动力学特性研究，主要成果有:许振良等人对颗粒在水平管道中速度分布规律、推移质间相互作用规律和界限速度求解方法的研究，Sommerfeld对流体中颗粒个体受力及相互作用模型进行了理论分析，Campbell和McCarthy从颗粒流运动状态角度入手对管道水力输送过程中颗粒垂向分选及颗粒间相互作用模式与规律作了研究。其中，压力损失是粗颗粒运输的主要特点之一，Asakura利用数模模拟进行了垂直管水力提升阻力特性研究；许振良等从固体粗颗粒加速过程中相互发生动量传递的机理，清水和固体粗颗粒的质量和它们的速度变化，以及它们之间发生的动量传递关系等这些基本问题的分析出发，提出了水平管内非均质流速度分布的新模型。 不同领域的管道输送工程中的应用研究，主要成果有:选矿尾矿水力输送系统水平管道的动力研究，董长银与张琪等考虑大斜度井井眼曲度变化和筛管中立下垂偏置等复杂条件,对水平和大斜度油井砾石水力填充特性进行了研究，初步提出了描述砾石充填过程的数学模型及相应的设计方法。林愉等人从节约水资源和环保角度考虑，发展了独特的压制大块煤柱长距离输送技术，可为粗颗粒输送形式提供新思路。此外，韩文亮等以深海采矿为背景对粗颗粒垂直管道水里提升特性进行了深入研究。 粗颗粒在管道中的运动状态除受物料浓度、管道直径、水流平均流速等因素影响外，还由受力情况决定，主要的作用力包括重力、浮力、流体对颗粒的拖拽力、压力梯度力、颗粒与管壁、颗粒之间的相互作用力等。近年来，Campbell和McCarthy分析了颗粒流中多颗粒作用的力学模型，对颗粒流动状态下非均匀颗粒混合机制进行了试验研究，分析了颗粒运动规律的影响因素。粗颗粒在管流中受力特点与微观运动特性的研究为粗颗粒水力管道输送的工程应用奠定了重要基础，但是受试验测试技术与计算机模拟能力的限制，该方面研究仍有待进一步发展与创新。
