囊體管道輸送研究進(jìn)展

李 飛，孫西歡，李永業(yè)

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

囊體管道輸送是將輸送物料加工成囊體置于管道系統(tǒng)中進(jìn)行輸送，是一種特殊的兩相流輸送方式，根據(jù)輸送介質(zhì)的不同可分為水力囊體管道輸送和氣力囊體管道輸送。

1 輸送特性研究

JAN FRUYER采用數(shù)字計(jì)算機(jī)估計(jì)了圓柱囊體與管道直徑比從0.25～0.97之間的速度和壓力降，包括囊體偏心和同心兩種狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)囊體與管道間隙增大時(shí)，壓力比會(huì)隨之降低而速度比隨之升高，與液體黏度和速度、囊體密度以及管道直徑有關(guān)，單個(gè)有限長囊體試驗(yàn)結(jié)果證明與無限長囊體的估計(jì)結(jié)果接近。A.E.VARDY研究了一系列兩端為平面的剛性圓柱形囊體穩(wěn)定軸心運(yùn)動(dòng)的問題，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并驗(yàn)證了囊體檢環(huán)形漩渦的存在。A.S.Ginevskii提出了運(yùn)輸管道中由于運(yùn)輸流體紊動(dòng)作用，囊體速度約是流體速度的1.5倍，但層流會(huì)產(chǎn)生相反的效果。Y.TOMITA認(rèn)為囊體是點(diǎn)集，將囊體周圍看成是同軸環(huán)形流來派生邊界條件，采用特征線法對(duì)水平直管道中的固體囊體運(yùn)送進(jìn)行數(shù)值分析，并與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，試驗(yàn)中采用了兩端共安裝有8個(gè)輪子的囊體，使囊體保持與管道同軸運(yùn)動(dòng)。Yuji TOMITA基于同心環(huán)狀流模型對(duì)水力和氣力囊體平衡時(shí)的速度進(jìn)行了分析，認(rèn)為囊體是圓柱形且沿管道軸心運(yùn)動(dòng)，計(jì)算了長度直徑比、直徑之比以及摩擦參數(shù)對(duì)囊體速度的影響，囊體最大速度受直徑比的限制，同時(shí)討論了壓力、剪切力以及沿囊體的壓力降，并對(duì)阻力降低提出了建議。Henry Liu研究了管道中囊體固定時(shí)的水力特性，并在原有理論的基礎(chǔ)上建立新的理論以研究沿囊體的壓力變化，與以前不同的是考慮了進(jìn)出口的影響，同時(shí)新理論可以應(yīng)用到囊體列的研究當(dāng)中。鑒于當(dāng)速度很高時(shí)，圓柱形囊體的前端會(huì)抬高，以至于很難通過管道的接頭處，J.Feng開始對(duì)低密度的球形冰囊體進(jìn)行試驗(yàn)，以研究囊體和水這一低密度混合流體的特性。運(yùn)輸過程中由于障礙物圓柱形囊體會(huì)停在管道中，Chih-Chiang Cheng結(jié)合理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)引起囊體傾斜的最小速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在大、小試驗(yàn)管道中發(fā)現(xiàn)懸浮力矩系數(shù)和傾斜弗勞德數(shù)之間有很好的聯(lián)系，指出某些情況下，囊體啟動(dòng)速度是受傾斜速度控制的。C.W.Lenau建立了兩個(gè)數(shù)學(xué)模型來分析水平水力輸送管道中單囊體運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)流動(dòng)，第一個(gè)模型假定囊體為彈性，第二個(gè)模型假定囊體為剛性，兩模型間計(jì)算結(jié)果有很好的一致性。V.C.Agarwal經(jīng)分析得出，囊體最佳直徑隨著囊體運(yùn)載量及重力的增大而增大；囊體速度會(huì)隨著囊體重力的增大而降低；摩擦系數(shù)隨著囊體重力的增加而增大，隨雷諾數(shù)的增大而降低，據(jù)此可以得到最佳尺寸以降低能耗。Pavel Vlasak研究了流體速度、徑長比、體積濃度等對(duì)囊體與流體速度比及壓力降等的影響。Thomas研究了電動(dòng)力囊體管道輸送的空氣動(dòng)力特征，應(yīng)用不可壓縮瞬時(shí)分析法來研究交聯(lián)分叉管道中的囊體動(dòng)力特性，用空氣動(dòng)力摩擦系數(shù)作為參數(shù)來比較囊體堵塞和進(jìn)展的影響。V C Agarwal通過試驗(yàn)分析說明了球形、圓柱形、方形以及不規(guī)則囊體很大程度上依賴于特征直徑與囊體直徑的比值以及形狀因素；帶有不同形狀前端面的高密度圓柱形囊體速度比主要依賴于囊體質(zhì)量中心位置相對(duì)囊體直徑的比值。Hongliu Du數(shù)值模擬了大型水力囊體管道升壓站（泵增壓）的水力特性，模擬結(jié)果與小型試驗(yàn)?zāi)殷w管道系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果相一致。H.TASHIRO對(duì)氣力囊體管道中的氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，包括顆粒間碰撞及顆粒與管壁間的碰撞，模擬和試驗(yàn)研究表明，由于顆粒間碰撞的存在，顆粒統(tǒng)一注入但不會(huì)統(tǒng)一出管道；顆粒密度不同帶來的速度差異會(huì)隨著空氣速度的減小而減小；模擬顯示，管道銜接錯(cuò)位處的顆粒與管壁碰撞是引起顆粒彈跳的原因之一。Deniz Ulusarslan首次采用聚丙烯球形囊體模擬制冷系統(tǒng)中球形冰囊體的囊體列試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明當(dāng)混合濃度不變時(shí)，流體速度的增加不會(huì)改變囊體列間距，而囊體速度隨著流體速度的增加會(huì)呈現(xiàn)近乎線性增加的趨勢(shì)；通過試驗(yàn)研究了相同速度下兩相囊體流相比單相水流壓力梯度大的原因以及濃度和速度增加對(duì)壓力梯度的影響，并將低密度球形囊體列和漿體試驗(yàn)壓力梯度進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)漿體流的壓力梯度表達(dá)式不能模擬囊體流的試驗(yàn)結(jié)果，囊體列壓降的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)比試驗(yàn)結(jié)果平均偏差3.37%。此外還研究了彎管內(nèi)壓降，得出相同流體速度、相同混合濃度時(shí)，90°彎管內(nèi)壓力損失系數(shù)是45°彎管的2~3倍。Ismail Teke采用密度870 kg/m3、外徑8 cm的聚丙烯材料囊體在長6 m、內(nèi)徑10 cm管道運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行無量綱分析，建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型，數(shù)值模型和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出管道平均壓力下降值為2.7%。

2 阻力及減阻研究

Yoshinobu MORIKAWA測(cè)定了囊體輪與管壁間的摩擦，建立了摩擦的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，并在管道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了測(cè)量系統(tǒng)，通過測(cè)定，發(fā)現(xiàn)囊體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)比相應(yīng)固定時(shí)高20%。P.Vlasak經(jīng)研究表明，一般情況下表面活性劑和聚合物的加入能夠降低壓降值。Katsuya Yanaida采用與層流邊界層理論中圓柱形囊體相同的分析方法，給出了方形囊體阻力系數(shù)，并通過圓柱囊體懸浮在直角管道中的試驗(yàn)結(jié)果討論了囊體長度與直徑之比對(duì)阻力系數(shù)的影響。Xin Huang通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析證明了高分子聚合物聚環(huán)氧乙炔對(duì)水力囊體管道輸送中減阻的有效性。GANGWEI WU采用直徑210 mm、長131 m的閉合循環(huán)鋼管進(jìn)行了水力囊體管道輸送聚合物減阻的第二階段研究，目的是為其經(jīng)濟(jì)適用開發(fā)減阻潛力，并在此管道上首次進(jìn)行了真空輔助聚氧化乙烯擴(kuò)散和注入系統(tǒng)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)聚氧化乙烯在直徑210 mm鋼管中的減阻是有效的，隨著聚合物濃度和初始流體速度的增加，聚合物減阻效果增加；同時(shí)指出木漿能夠加強(qiáng)聚合物減阻效果，但實(shí)際應(yīng)用中如何防止聚氧化乙烯降解，還有待進(jìn)一步研究。Sanai Kosugi研究了隨溫度變化改變的橡膠輪胎性質(zhì)所決定的氣力囊體輸送阻力因素（TRF），描述了TRF的性質(zhì)并采用無量綱分析法估計(jì)了這一能量損耗。K.York采用一維能量方程、連續(xù)方程以及動(dòng)量方程建立了理論阻力系數(shù)方程，并將氣力囊體管道中囊體運(yùn)行時(shí)阻力系數(shù)測(cè)定的各種方法進(jìn)行了對(duì)比，得到不同程度的偏差值，有待直接測(cè)定、原型囊體試驗(yàn)等的進(jìn)一步精確化。

3 結(jié)語

降低能耗、提高輸送效率是囊體管道輸送研究的最終目的。目前，對(duì)于囊體管道輸送的研究無論是從理論研究還是實(shí)際應(yīng)用方面，仍有大量問題需要進(jìn)一步研究與探索。本文從囊體的輸送特性與阻力及減阻兩個(gè)方面闡述了其目前的研究現(xiàn)狀，為繼續(xù)深入研究該技術(shù)提供借鑒。

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