囊体管道输送研究进展

李 飞，孙西欢，李永业

（太原理工大学，山西 太原 030024）

囊体管道输送是将输送物料加工成囊体置于管道系统中进行输送，是一种特殊的两相流输送方式，根据输送介质的不同可分为水力囊体管道输送和气力囊体管道输送。

1 输送特性研究

JAN FRUYER采用数字计算机估计了圆柱囊体与管道直径比从0.25～0.97之间的速度和压力降，包括囊体偏心和同心两种状态，发现囊体与管道间隙增大时，压力比会随之降低而速度比随之升高，与液体黏度和速度、囊体密度以及管道直径有关，单个有限长囊体试验结果证明与无限长囊体的估计结果接近。A.E.VARDY研究了一系列两端为平面的刚性圆柱形囊体稳定轴心运动的问题，对流体运动进行了详细研究，并验证了囊体检环形漩涡的存在。A.S.Ginevskii提出了运输管道中由于运输流体紊动作用，囊体速度约是流体速度的1.5倍，但层流会产生相反的效果。Y.TOMITA认为囊体是点集，将囊体周围看成是同轴环形流来派生边界条件，采用特征线法对水平直管道中的固体囊体运送进行数值分析，并与试验结果相对比，试验中采用了两端共安装有8个轮子的囊体，使囊体保持与管道同轴运动。Yuji TOMITA基于同心环状流模型对水力和气力囊体平衡时的速度进行了分析，认为囊体是圆柱形且沿管道轴心运动，计算了长度直径比、直径之比以及摩擦参数对囊体速度的影响，囊体最大速度受直径比的限制，同时讨论了压力、剪切力以及沿囊体的压力降，并对阻力降低提出了建议。Henry Liu研究了管道中囊体固定时的水力特性，并在原有理论的基础上建立新的理论以研究沿囊体的压力变化，与以前不同的是考虑了进出口的影响，同时新理论可以应用到囊体列的研究当中。鉴于当速度很高时，圆柱形囊体的前端会抬高，以至于很难通过管道的接头处，J.Feng开始对低密度的球形冰囊体进行试验，以研究囊体和水这一低密度混合流体的特性。运输过程中由于障碍物圆柱形囊体会停在管道中，Chih-Chiang Cheng结合理论分析与试验数据对引起囊体倾斜的最小速度进行预测，并在大、小试验管道中发现悬浮力矩系数和倾斜弗劳德数之间有很好的联系，指出某些情况下，囊体启动速度是受倾斜速度控制的。C.W.Lenau建立了两个数学模型来分析水平水力输送管道中单囊体运行时的瞬时流动，第一个模型假定囊体为弹性，第二个模型假定囊体为刚性，两模型间计算结果有很好的一致性。V.C.Agarwal经分析得出，囊体最佳直径随着囊体运载量及重力的增大而增大；囊体速度会随着囊体重力的增大而降低；摩擦系数随着囊体重力的增加而增大，随雷诺数的增大而降低，据此可以得到最佳尺寸以降低能耗。Pavel Vlasak研究了流体速度、径长比、体积浓度等对囊体与流体速度比及压力降等的影响。Thomas研究了电动力囊体管道输送的空气动力特征，应用不可压缩瞬时分析法来研究交联分叉管道中的囊体动力特性，用空气动力摩擦系数作为参数来比较囊体堵塞和进展的影响。V C Agarwal通过试验分析说明了球形、圆柱形、方形以及不规则囊体很大程度上依赖于特征直径与囊体直径的比值以及形状因素；带有不同形状前端面的高密度圆柱形囊体速度比主要依赖于囊体质量中心位置相对囊体直径的比值。Hongliu Du数值模拟了大型水力囊体管道升压站（泵增压）的水力特性，模拟结果与小型试验囊体管道系统得到的试验结果相一致。H.TASHIRO对气力囊体管道中的气流进行了数值模拟，包括颗粒间碰撞及颗粒与管壁间的碰撞，模拟和试验研究表明，由于颗粒间碰撞的存在，颗粒统一注入但不会统一出管道；颗粒密度不同带来的速度差异会随着空气速度的减小而减小；模拟显示，管道衔接错位处的颗粒与管壁碰撞是引起颗粒弹跳的原因之一。Deniz Ulusarslan首次采用聚丙烯球形囊体模拟制冷系统中球形冰囊体的囊体列试验研究，试验表明当混合浓度不变时，流体速度的增加不会改变囊体列间距，而囊体速度随着流体速度的增加会呈现近乎线性增加的趋势；通过试验研究了相同速度下两相囊体流相比单相水流压力梯度大的原因以及浓度和速度增加对压力梯度的影响，并将低密度球形囊体列和浆体试验压力梯度进行了对比，发现浆体流的压力梯度表达式不能模拟囊体流的试验结果，囊体列压降的经验表达比试验结果平均偏差3.37%。此外还研究了弯管内压降，得出相同流体速度、相同混合浓度时，90°弯管内压力损失系数是45°弯管的2~3倍。Ismail Teke采用密度870 kg/m3、外径8 cm的聚丙烯材料囊体在长6 m、内径10 cm管道运行试验，并对测试结果进行无量纲分析，建立了经验模型和数值模型，数值模型和试验结果对比得出管道平均压力下降值为2.7%。

2 阻力及减阻研究

Yoshinobu MORIKAWA测定了囊体轮与管壁间的摩擦，建立了摩擦的经验表达式，并在管道系统的基础上开发了测量系统，通过测定，发现囊体运动时的阻力系数比相应固定时高20%。P.Vlasak经研究表明，一般情况下表面活性剂和聚合物的加入能够降低压降值。Katsuya Yanaida采用与层流边界层理论中圆柱形囊体相同的分析方法，给出了方形囊体阻力系数，并通过圆柱囊体悬浮在直角管道中的试验结果讨论了囊体长度与直径之比对阻力系数的影响。Xin Huang通过试验及数据分析证明了高分子聚合物聚环氧乙炔对水力囊体管道输送中减阻的有效性。GANGWEI WU采用直径210 mm、长131 m的闭合循环钢管进行了水力囊体管道输送聚合物减阻的第二阶段研究，目的是为其经济适用开发减阻潜力，并在此管道上首次进行了真空辅助聚氧化乙烯扩散和注入系统的测试，发现聚氧化乙烯在直径210 mm钢管中的减阻是有效的，随着聚合物浓度和初始流体速度的增加，聚合物减阻效果增加；同时指出木浆能够加强聚合物减阻效果，但实际应用中如何防止聚氧化乙烯降解，还有待进一步研究。Sanai Kosugi研究了随温度变化改变的橡胶轮胎性质所决定的气力囊体输送阻力因素（TRF），描述了TRF的性质并采用无量纲分析法估计了这一能量损耗。K.York采用一维能量方程、连续方程以及动量方程建立了理论阻力系数方程，并将气力囊体管道中囊体运行时阻力系数测定的各种方法进行了对比，得到不同程度的偏差值，有待直接测定、原型囊体试验等的进一步精确化。

3 结语

降低能耗、提高输送效率是囊体管道输送研究的最终目的。目前，对于囊体管道输送的研究无论是从理论研究还是实际应用方面，仍有大量问题需要进一步研究与探索。本文从囊体的输送特性与阻力及减阻两个方面阐述了其目前的研究现状，为继续深入研究该技术提供借鉴。

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