疏浚管道加气输送阻力特性研究

熊 庭 范世东 朱汉华 阳子轩

（武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063）

在绞吸式挖泥船疏浚排泥过程中，设法减小管道阻力可以降低管道磨损并节省能源.由于输送泥浆具有浓度高、流量大、易沉淀等特点，并且疏浚工程对场地和经济性有一定限制，所以在管道内注入空气来减小管道阻力是比较理想的技术［1－2］.S.I.Farooqi等在20世纪80年代研究了在光滑水平管道内气－液两相流动的压降分析［3］.N.I.Heywood等分析了在水平圆管内的气体与非牛顿流液体两相分层流动，将气液两相流动与单相液体压力梯度进行了比较，并提出了评价气体减阻效果的评价指标［4］.2005年，A.Orell建立了适应于沉淀和非沉淀的牛顿流的加气输送的一维数学模型［5］.本文结合疏浚工程泥浆输送的实际情况，分别分析了分层流动和段塞流动模型，并证明在泥浆处于分层流动状态下，注入气体可以产生一定的减阻效果.

1 水力模型

1.1 分层流动模型

泥浆和水均匀混合时，可以作为非牛顿流体分析，当气体和泥浆流速较低时，管道内部形成分层流动.对于均匀悬浮的分层流，见图1.

图1 分层流示意图

在管道内部气液两相流速不一致，存在相对运动，动量守恒方程如下：

式中：A为每相液体的流动面积；τw为管壁剪切应力；S为单位管长每相与管壁接触面积；τi为气液界面剪切应力为两相在管道内的压力梯度.

式（5）适用于Ug＞Ul，在气体流动小，液体流速大时，中国科学院吴晶禹对该公式进行了修正［6］

结合式（1）～（6），得到量纲一的量式

气体和液体的雷诺数分别为

液相和气相的范宁摩擦因子定义为

式中：当气体或液体为层流时，C＝16，m＝1，当气体或液体处于湍流时，C＝0.079，m＝0.25.

分析气液分层的几何参数，假设气－液分层流动存在一个自由液面，Dl是液相的直径，Dg是气相的直径.

将式（8）～（10）代入式（7），整理得出Lockhart－Martinelli参数定义为两相流动压力梯度与单相流动压力梯度的比值

Taitel－Dukler假设气液界面的摩擦因子fi＝fg，定义管道内无量纲液面高度并推导出管道内各量纲一的量参数与的关系，管道内持液率可以定义为

根据式（12）～（14），得出Lockhart－Martinelli参数与的关系当说明气体减小了流体在管道内的拖曳比率＞1，说明气体增大了流体在管道内的拖曳比率.定义减阻率

1.2 段塞流动模型

当泥浆在管道内部高速流动，分层流动状态被破坏.泥浆颗粒在液体中均匀悬浮，气体和泥浆混合形成段塞流动.Aluf Orell建立了充分发展的非沉淀的三相段塞流模型，如图2所示.

图2 段塞流示意图

气－固－液三相流体质量守恒

式中：Uss为泥浆表面速度；Usg为气体表面速度；Cs为泥浆浓度；Csu为段塞单元固体颗粒浓度；A为管道截面积；下标s和f分别表示段塞层，薄膜层；Hls为持液率.

在段塞流动中，持液率是个非常关键的因素，不同流动条件的持液率公式各不相同，本文选用Andreussi公式［6］.

在每个段塞单元内，段塞单元的流速比气泡的速度高，根据每个单元内的气液质量守恒得出

在每个单元内，气泡层和薄膜层动量守恒

管道压力梯度在薄膜区和气泡区是一致的，因此

剪切应力公式

式（16）～（18），（20）和（23）组成了三相段塞流模型的主方程，通过计算可以得到以下变量：Us，Uf，Ug，Ut，Hls，Csu，ls／l.

根据以上变量，可以求出管道内的平均压力梯度

当管道压力梯度值高，说明沿管道压力下降快，管道阻力大，相反，当管道压力梯度值低时，说明管道阻力相对较小.

2 计算结果分析

2.1 分层流

选取管径120mm，气体和泥浆表面速度比q＝1，根据模型计算得出各关键参数之间的关系.

当泥浆因子n不同，即泥浆类型和浓度不同时，减阻率液面高度关系见图3，减阻率与无量纲液体速度关系见图4，减阻率与无量纲气体速度见图5.

图3 量纲一的量液面高度－减阻率曲线

图4 量纲一的量液体速度－减阻率曲线

从图3～5可以得出如下规律：（1）在气－液分层流动中，随着泥浆因子n值的减小，φΔ增大，管道阻力减小，减阻区域变大；（2）液面高度是影响管道阻力的关键因素，在无量纲液面高度超过临界点后，管道阻力减小，当¯hl＝0.85时，阻力最小.但¯hl接近1时，管道阻力突然增加；（3）气体速度和液体速度对管道阻力有显著影响，在一定范围内，液体流速低，气体流速高时有较好的减阻效果.

图5 量纲一的量气体速度－减阻率曲线

2.2 段塞流

选取不同的管道条件进行计算，管径25.9，51.5，120和210 mm，泥浆流速1.1～3.44 m／s，气体流速0.2～6 m／s.泥浆浓度10%～31%.根据段塞流模型，计算各关键参数之间的关系.

得出不同泥浆速度，管道压力梯度与气体速度的关系见图6，不同泥浆浓度，管道压力梯度与气体速度见图7，不同管径，管道压力梯度与气体速度见图8.

图6 不同液体流速压力梯度与气相速度关系

图7 不同泥浆浓度压力梯度与气相速度关系

图8 不同实验管径压力梯度与气相速度关系

从图6～8可以得出如下规律：（1）管道压力梯度随泥浆流速增大而增大，当泥浆流速一定时，气体流速越大，管道压力梯度越大，阻力越大；（2）泥浆浓度对管道压力梯度影响较小，在气体速度较低时基本无影响；（3）管径对压力梯度影响显著，当管道直径增大时压力梯度减小，气体对管道阻力的影响减弱；（4）在该模型中，不管关键参数如何变化，向管道中加入气体并未引起管道阻力减小，反而引起了管道阻力的增加.

3 结束语

本文根据疏浚工程中泥浆在管道内输送遇到的实际问题，提出了加气减阻的方法.并采用了分层流模型和段塞流模型对不同的管径参数、流量参数、泥浆浓度参数进行了计算，分析得出：当泥浆流速较低时，气体和泥浆处于分层的流动状态下，加气可以起到一定的减阻作用.在一定范围内，当液体流速越小，气体流速越大，减阻效果越明显.当泥浆流速较高时，气体和泥浆处于段塞流动状态下，此时加入气体引起了管道阻力的增大.

本文模型计算的结果，可以确定泥浆在不同流态下，加入气体对管道阻力的影响.在明确管道内流体的性质和流态后，在合适的条件下往管道内加入气体可以减小管道的阻力，达到节能的目的.

［1］朱汉华，范世东，钟骏杰，刘正林.挖泥船管道输泥的加气助送阻力特性试验研究［J］.船海工程，2008，37（2）：120－122.

［2］邓义斌，范世东，熊 庭.泥浆管道输送试验装置设计与试验［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（6）：1 213－1 216.

［3］Farooqi S I，Heywood N I，Richardson J F.Drag reduction by air injection for highly shear－thinning suspensions in horizontal pipe flow［J］.Trans I Chem E，1980，58：16－27.

［4］Andreussi P，Minervini A，Paglianti A.Mechanistic model of slug flow in near－horizontal pipes［J］.A.I.Ch.E.Journal，1993，39：1 281－1 291.

［5］Orell A.The effect of gas injection on the hydraulic transport of slurries in horizontal［J］.Chemical Engineering Science，2007，62：6 659－6 676.

［6］Xu Jingyu，Wu Yingxiang，Li Hua.Study of drag reduction by gas injection for power－law fluid flow in horizontal stratified and slug flow regimes［J］.Chemical Engineering Journal，2009，147（15）：235－244.