含聚丙烯酰胺的管道螺旋流流動特性試驗

2019-08-02 00:38:04胡旭躍李志威

水利水電科技進展 2019年4期

胡旭躍,劉高,李志威

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南長沙 410114; 2.長沙理工大學水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南長沙 410114)

螺旋流是一種同時存在軸向與切向速度分量,且切向速度分量能夠發揮重要作用的特殊流動形式。螺旋流理論廣泛應用于流體機械、石油化工、水利工程、管道輸送、機械加工等諸多領域[1-9]。武鵬林等[10-12]提出“旋浮”這一概念,采用裝置把普通直流轉化為平軸強制旋流與普通直流復合而成的螺旋流,進而把泥沙顆粒從推移質轉變為懸移質,極大地降低了管道輸沙的顆粒阻力,為管道泥沙的高效輸移問題提供了新的解決思路。

外力作用(起旋裝置)和流體的黏滯性是形成穩定螺旋流、影響螺旋流流動特性的兩大前提條件[10]。王樹立等[13]對各類螺旋流起旋裝置進行了較系統的總結,得出不同起旋裝置對螺旋流的流動特性影響較大,但各種裝置具有各自的優缺點,目前還沒有一種起旋裝置能夠適用于各種水流條件。在起旋裝置設計理論尚不成熟的條件下,通過改變水流的黏滯性以強化螺旋流的旋流強度并減小螺旋流衰減提高輸送效果,在理論與實際應用中都具有可操作性。高分子聚合物材料作為基礎減阻方法之一,在減阻節能領域中已得到較廣泛運用[14]。關于聚合物的減阻機理有多種不同的理論,但是可確定的是柔性高分子聚合物分子鏈可改變清水的物理特性(主要是黏性)是減阻的重要原因[15]。相對分子質量越大,聚丙烯酰胺(PAM)分子組成的線性長鏈及網鏈越復雜,PAM水溶液的黏度也相應更大[16]。

目前,通過添加高分子聚合物改變水流物理性質,研究管道螺旋流問題的報道較少。夏國棟等[17]通過添加少量的表面活性劑以降低氣液之間的表面張力,增強二者之間的溶解性,從而改變了氣液兩相螺旋流的運動學特性。李建敏等[18]的研究表明,氣液管流加入少量的SDS(十二烷基硫酸鈉)之后,氣液兩相螺旋流的流型以彌散型為主,這種形態大大增加氣液之間的接觸面積、強化了氣液之間的傳熱效應,并且少量SDS降低氣液界面張力,從而減小管流與管壁之間的摩擦阻力,最終降低管道的壓降損失。然而,現有少量研究成果主要集中于石油化工領域,主要關注表面活性劑對氣液兩相流流型和壓降的影響,高分子聚合物對單相管道螺旋流的流動特性影響的研究還較少。因此,本文通過管道試驗,建立循環管路測量系統,測量含PAM管道螺旋流的管道邊壁靜水壓強和測針內動水壓強,采用有效起旋距離和邊壁壓力損失2個重要參數,分析高分子聚合物對單相流體管道螺旋流的作用效果,以期為管道輸送技術中的應用研究提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗裝置

試驗在長沙理工大學水利實驗中心進行,試驗裝置布置見圖1。不同的研究人員給出管流完全發展至紊流的直線段長度不盡相同[19-21],尚無一個確定的理論或者試驗結果符合全部的試驗工況。為了避免試驗段受到入口的影響,考慮到試驗場地的限制和經濟性要求,設置管流發育直線段長度為57D,其中D為管道直徑,D=0.1 m。

圖1 試驗裝置布置(單位:mm)

試驗采用光滑程度較高的有機玻璃圓管,共設置了7個靜壓孔:ps00、ps01、ps1、ps2、ps3、ps4、ps5,分別位于直管入口下游5.7 m、6.0 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、10.5 m。設置了5個測量管道水流流速的水平測孔:ck1～ck5,其位置分別與ps1～ps5一一對應,測孔截面見圖1(a)。測量孔在進行加工時需要避免毛刺的現象,因為毛刺會影響水壓傳感器的讀數。

1.2 測量儀器

管道內流體的速度由變頻控制器控制電機的轉速間接控制,流速由四川德陽東汽公司研制的5孔直頭球形測針來測量,球頭直徑為5 mm,感受孔直徑為0.35 mm,測量直桿采用變直徑結構,桿身長350 mm。采用成都泰斯特公司研制的CY201高精度水壓傳感器測量管道邊壁靜壓孔靜壓值和5孔直頭球形測針測孔內動壓值。該款傳感器的量程為-15～20 kPa,精度為0.1%,12支傳感器采用智能集線器與計算機相連接。起旋裝置對產生的螺旋流流動特性起決定性作用,本試驗起旋裝置采用多導葉式局部起旋。多導葉式局部起旋裝置的導流條參數如圖2所示,導流條的模板選取長度為300 mm,高度為20 mm,厚度為5 mm的有機玻璃板。導流條前部直線段長度為100 mm(B點為分界點),后部彎曲段的長度為200 mm,最大切向角為20°(最末端C點處的切線與直線段的夾角)。為了減小導流條對來流的影響,前端A處削成尖角。導流條有3條,導流條之間的夾角為120°。起旋裝置(導流條)設置在直管首部下游5.7～6.0 m之間的位置(圖1)。

圖2 導流條結構參數(單位:mm)

1.3 PAM水溶液

試驗選取愛森(中國)絮凝劑有限公司所生產的陰離子型PAM為管流添加劑,相對分子質量為1 400萬～1 600萬,總固形物含量為90.1%,殘余丙烯酰胺的質量濃度為225 mg/L。配置PAM水溶液時,將母液充分攪拌后靜置24 h,使得固體顆粒完全溶解,形成質地較均一的水溶液。若PAM水溶液絮凝成團則會影響它形成均一的高分子鏈網結構,降低抑制紊動猝發效果。在本試驗工況條件下,PAM的質量濃度為100 mg/L。

2 驗證試驗

2.1 流速測量系統驗證試驗

整個測量系統包括1支5孔直頭球形測針和5支高精度水壓力傳感器及其他附屬設備(如軟管、智能集線器),因為組成的部件較多,因此該測量系統的可靠度需要通過試驗進行驗證。

圖3 實測軸向流速沿徑向分布

表1 流量計算結果

2.2 壓力測量系統驗證試驗

整個測壓系統由7支高精度水壓力傳感器及其附屬設備(如軟管、智能集線器、計算機)所組成。由于組成的部件較多,該測壓系統的可靠度也有必要通過試驗來驗證。通過傳感器測量管道的沿程邊壁壓力P,計算得到沿程壓力損失,再利用如下達西公式得到理論沿程阻力損失hf2:

(1)

其中

λ=0.003 2+0.221Re-0.237

式中:L為試驗段長度;V為管道斷面平均流速;λ為沿程阻力損失系數；g為重力加速度。將沿程壓力損失和hf2進行對比分析可驗證壓力測量系統的可靠性。

首先是對試驗的可重復性進行驗證,這是長時間進行試驗研究的基礎。工況1、工況2試驗結果見圖4和表2。表2中hf1為實測阻力損失,Eh為hf2與hf1之間的相對誤差;圖4中x為沿流向位置(ps01設置為起始點),邊壁壓力沿程分布的擬合曲線斜率(單位距離邊壁壓力損失)即為表2中的hf1。圖4中工況1和工況2邊壁壓力沿程分布一致性很好,表2中這兩種工況的Eh值分別為5.6%、1.2%,二者相差較小,表明壓力測量程序和管道系統滿足長時間、多頻次的壓力測量要求。工況3、工況4的實測邊壁壓力值擬合的曲線同樣滿足線性分布,表2中這兩種工況的Eh值分別為6.5%、6.7%,二者吻合很好,這說明不同流量下的壓力測量數據是可靠的。

圖4 實測邊壁壓力沿程分布

工況Q1/(m3·h-1)Rehf1/(Pa·m-1)hf2/(Pa·m-1)Eh/% 139.5138389.61711625.6239.5138389.61641621.2331.5110361.41141076.5425.589340.180756.7

3 試驗結果及其分析

3.1 軸向速度分布

PAM分子組成的線性長鏈及網鏈形成彈性的微觀結構,對微觀水流結構的動力學過程如紊流猝發等能量交換過程有一定影響,因而在宏觀表現上含PAM的管道螺旋流流速分布與清水管道螺旋流有一定的區別。

圖5顯示了含PAM管道螺旋流軸向速度分布,圖中工況5的流量為35.5 m3/h。圖5(a)顯示了工況1測點ck5處加入PAM前后軸向速度分布。由圖5(a)可見,清水螺旋流的軸向速度分布與直流理論值幾乎重合,這是因為經過45D(起旋裝置形成螺旋流后45倍管徑)的衰減,在管壁邊壁阻力和水流內部的摩阻力雙重作用下,管流逐漸由螺旋流轉變為普通直流。然而含PAM的管道螺旋流并沒有衰減至清水管道螺旋流在測點ck5處的狀態,表明加入少量PAM之后,減弱了管壁邊壁阻力和水流內部的摩阻力對管道螺旋流旋轉能力的衰減作用。

圖5 含PAM管道螺旋流軸向速度分布

圖5(b)給出了工況1測點ck2處加入PAM前后軸向速度分布。由圖5(b)可見,y/R=0.65附近可以作為清水管道螺旋流軸向流速的一個分界點,相較于普通直流,上部區域高速流體速度降低,下部區域低速流體速度提升。這是因為在起旋裝置的影響下,壁面20 mm以內的水流受到有機玻璃板阻隔產生周向的旋轉速度,其余核心區的水流沒有受到物理阻隔,但是水流的黏滯性使得管道中心部分的高速流體與近壁處的流體相互交換,引起了水流能量的重新分配而使得速度分布更為扁平化,這與張紅霞[22]得出的結論是一致的。而含PAM管道螺旋流的速度分布很不規律,并沒有清水時的高速流體降低、低速流體提升的現象,這是因為加入PAM之后在測點ck2處(15D)螺旋流能量重新分配還未完成,加入PAM有助于延長管道螺旋流的“產生—發育完全”這一過程。

圖5(c)顯示了不同工況測點ck5處含PAM管道螺旋流軸向速度分布。由圖5(c)可見,不同流量下含PAM管道螺旋流軸向速度分布規律是一致的,不隨流量的變化而變化。圖5(d)顯示了工況1不同測點處含PAM管道螺旋流軸向速度沿程分布,由圖可見,測點ck1、ck2處的速度分布“雙峰”現象較明顯,隨著衰減的推進,測點ck3、ck4、ck5處的速度分布趨向于“單峰”形式。

圖6 含PAM管道螺旋流周向速度分布

3.2 周向速度分布

圖6顯示了含PAM管道螺旋流周向速度分布,圖中vθ為周向速度,vθm為最大周向速度。圖6(a)為工況1測點ck2處的周向速度分布。由圖6(a)可見,加入PAM之后,管道螺旋流周向速度要比清水時數值更大,峰值增大了224%,即加入少量PAM之后管道螺旋流強度有所提升。在ck2截面處,清水時周向速度傳遞到軸心處,即經過15D(起旋裝置形成螺旋流后15倍管徑)螺旋流已完全發展,而加入PAM之后在此處周向速度未傳遞到軸心處,可以判斷螺旋流未完全發展,表明加入PAM延長了管道螺旋流的“產生—發育完全”的過程。

圖6(b)給出了測點ck2處不同工況含PAM螺旋流周向速度分布,由圖可見,不同流量下的周向速度分布規律是類似的,不隨流量的變化而變化。圖6(c)顯示了工況1不同測點位置處含PAM螺旋流周向速度分布。由圖6(c)可見,含PAM管道螺旋流在測點ck1、ck2處的周向速度未傳遞到軸心處,螺旋流沒有完全發展,在測點ck3、ck4、ck5處的周向速度完全傳遞到軸心處,即螺旋流已經發育完全。螺旋流發育完全之后的周向速度在達到最大值之后總體上呈線性衰減。

圖6(d)給出了工況1加入PAM前后最大周向速度沿程分布。由圖6(d)可見,PAM水溶液曲線整體在清水曲線之上,在邊壁阻力和流體內部的摩阻力雙重作用下,兩種介質條件下的最大周向速度皆沿程遞減。其中清水螺旋流在測點ck2(15D)處完全發展之后,最大周向速度沿程線性衰減的擬合公式為

(2)

PAM水溶液螺旋流在測點ck1、ck2處還未發展完全,在測點ck3(25D)處螺旋流完全發展之后,最大周向速度沿程線性衰減的擬合公式為

(3)

清水時螺旋流在15D處完全發展,加入PAM之后螺旋流在25D處完全發展,即加入少量PAM之后管道螺旋流發展過程(產生—發育成型)延長了67%。此外,圖6(d)清水管道螺旋流在測點ck1至ck2(開始線性衰減)之間最大周向流速下降約64%,而加入少量PAM之后,管道螺旋流在測點ck1至ck2之間最大周向速度下降約13%,測點ck1至ck3(開始線性衰減)之間的下降幅度約為33%。這說明管流由直流經過起旋裝置之后,在水流的黏性作用下旋轉能量衰減率由清水時的64%降低至33%。

3.3 重要參數分析與討論

3.3.1管道螺旋流邊壁壓差

為探究PAM對于管道螺旋流的管道內邊壁壓力變化的影響,采用邊壁壓差這一參數來分析PAM對管道螺旋流的壓力特性影響。

圖7是不同流量下含PAM管道螺旋流邊壁壓力P沿程變化曲線,可見不同流量下含PAM管道螺旋流的邊壁壓力沿程變化規律是一致的,即先線性衰減隨之衰減變弱,這是因為隨著螺旋流沿程衰減,管道邊壁阻力與螺旋流內部的阻力損失有一個由大變小的過程。由圖8可知,加入PAM后,管道螺旋流邊壁壓差ΔP(ps1處邊壁壓力與ps5處邊壁壓力的差值)相較于清水介質整體上降低,但二者皆隨流量的增大而線性增長。從表3可知,加入少量PAM之后管道螺旋流的邊壁壓差降低率為18.0%～23.8%。

圖7 含PAM管道螺旋流邊壁壓力沿程變化

圖8 邊壁壓差隨流量變化

工況流量/(m3·h-1)ΔPw/kPaΔPp/kPaε/% 139.51.3031.05619.0 535.51.0820.88818.0 331.50.8800.70619.8 425.50.6250.47623.8

3.3.2管道螺旋流邊壁壓差與阻力損失的關系

測點ck1、ck2、ck3和ck4處管道螺旋流軸向平均速度無量綱數vxm/(gR)1/2分別為2.23、2.24、2.23和2.23(vxm為斷面軸向平均速度),可知沿程各斷面的軸向平均速度無量綱數基本一致,即各個斷面的動能相同。此外,本試驗管道為水平管道,沿程的位勢能不變,由不可壓縮實際液體恒定總流的能量方程,即可以認為管道螺旋流邊壁壓差的數值與阻力損失的數值大小相等。

加入PAM之后,管道螺旋流邊壁壓差降低了18.0%～23.8%,也可以說管道螺旋流阻力損失降低了18.0%～23.8%,即加入PAM有助于降低管道螺旋流的阻力損失。原因可認為是加入少量的PAM之后形成的分子鏈網有效減小管道螺旋流邊壁內部的紊動猝發活動和流體內部的阻力,因此減小了能量損失。

3.3.3管道螺旋流對輸送固粒的影響

在管道內螺旋流中,泥沙顆粒有4種運動狀態,即旋浮、貼壁推移、斜位沙波、部分淤積[23]。當泥沙顆粒經過起旋裝置完全起旋,再經過衰減之后由旋浮狀態轉變為貼壁推移時,張紅霞[22]認為這一段距離為管道螺旋流的有效起旋距離。有效起旋距離越大,表明管道螺旋流的輸固能力越強。

d=0.075 mm為粗、細顆粒的分界粒徑,此處進行理論分析時選取d=0.075 mm粒徑作為參考粒徑。由斯托克斯公式,可估算泥沙顆粒的沉速ω:

(4)

式中:γs為泥沙重度;γ為水的重度;d50為泥沙顆粒中值粒徑;ν為水的黏度系數。當泥沙顆粒粒徑小于0.076 mm,式(4)可適用。

將vθm=ω帶入到式(2)和式(3)即可得到在流量為39.5 m3/h的條件下,清水與PAM水溶液螺旋流對d=0.075 mm泥沙顆粒的有效起旋距離,計算結果見表4。表4中L1為PAM水溶液管道螺旋流的有效起旋距離,L2為清水管道螺旋流的有效起旋距離,提升效果TL的計算公式為

(5)

表4 有效起旋距離計算

由表4可知,在一定的理想條件下(泥沙顆粒為0.075 mm),PAM水溶液(100 mg/L)管道螺旋流相較于清水管道螺旋流,有效起旋距離提高79.1%～91.5%。隨著流量的增大,加入PAM前后,有效起旋距離線性增大(圖9)。需要說明的是,有效起旋距離只是一個概化的參數,實際管流中作用在泥沙顆粒上的周向速度值不一定為最大周向速度值,應該為最大周向速度的某一比例值,具體的數值還是要進行加沙試驗才能確定,有待于下一步開展研究。