不同荷载圆柱体在压力管道中运输的水力特性研究

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(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.淮河水利委员会，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

囊体管道水力运输是一种环保、节能、高效安全的运输方式[1]。该输送方式具有很多的优点，如：用水量很小、能量损耗少、不需要脱水工序、可以运输纯料、没有污染、占地面积小、固体和液体物料均可输送等。该输送方式符合我国可持续发展的理念，是一种节能环保的新型管道水力输送方法[2]。这种运送方法既跟传统的浆体管道水力输送的方法大相径庭，也区别于传统的型料管道水力运送，而对于长距离有压管道充水过程的研究也对这种运输方式的运用提供了保障[3]，因此囊体管道水利运输是一种新时代下极有研发前景的科学技术，具有非常广阔的应用发展前景[4]。

囊体管道水力运输是一种新型管道水力输送技术，对于该方面的研究还不是很完善。目前一些学者对于圆柱体的起动条件[5]、圆柱体前后流场特性[6]、圆柱体环型缝隙水流特性[7]、圆柱体运移时的水力特性以及不同流量[8]及环隙比条件下圆柱体绕流环隙流场[9]等进行了初步的研究，对于整个囊体水力输送理论系统还有许多需要补充。因此本试验以圆柱体的荷载为控制因子，对圆柱体在有压管道运移时的水力特性进行探究，并对不同荷载圆柱体较优输送率进行分析，意在优化圆柱体结构参数，为囊体水力输送投入生产使用起到推动作用。

2 试验设计

2.1 圆柱体结构

本试验所用圆柱体主要由2部分组成：圆柱形主体和支撑。其中料支撑是由在圆柱体的两端分别安放3个呈放射状且间隔为120°的铁质圆柱体组成，在圆柱体运动过程中，料筒两端的圆柱体支撑与管道接触，保持圆柱形主体与管道同心。圆柱体支撑末端需打磨光滑，以减小圆柱体在运动过程中与管壁的摩擦。圆柱体结构如图1所示。

图1圆柱体结构
Fig.1Structureofcylindricalcapsule

2.2 试验系统

本试验系统主要由以下几部分组成：水源水箱、动力设备、调节设备、测量仪器、输水管路、投放设备以及接收设备。试验所用管道是若干段内径为100 mm的有机玻璃圆管，各管段之间由法兰盘与胶皮粘接，保证其接缝密封不透水。试验时首先将水箱内流量水量补充到合适水量，开启离心泵将水箱内水抽至管道内，然后转动闸阀调节流量到试验工况，然后操控测量仪器测量圆柱体运动过程中测试管路内的各项水力要素，最后水流再次流入水箱形成循环回路。试验系统布置如图2所示。

图2试验系统布置
Fig.2Arrangementoftestdevices

如图2所示，本试验管路总体分为3大部分，分别为直管段1、弯管段和直管段2，其中弯管段的转弯半径为2.87 m。从圆柱体制动装置处到管道出口全长27.93 m，管路中共设了5个测试断面，即图2中的1#，2#，3#，4#，5#断面。每个断面上都连有压力表，通过处理器与电脑相连，可以在电脑上监测到圆柱体在管道内运动过程中测试断面的压力变化情况。同时在1#和5#断面上安装光电计时器用来测量不同荷载圆柱体在管道内运移时间。测点号及测点距离如表1所示(距离表示为测点距圆柱体制动装置处距离)。

表1 测点及距离Table 1 Distance of measurement pointsto cylindrical capsule

2.3 试验方案

表2 试验方案Table 2 Test schemes

表3 试验参数与实际参数对比Table 3 Comparison between test parametersand actual parameters

3 试验结果与分析

3.1 圆柱体受力分析

圆柱体在管道中平稳运移时的受力主要包括：管道内壁对圆柱体支脚的摩擦力Sc、管壁作用在支脚上的支撑力Nc、缝隙流对圆柱体车身的剪切力τ、水流对圆柱体两端产生的压力差ΔP、圆柱体的浮力Fc和圆柱体及其物料的重力Wc(见图3)。其中圆柱体的体表比和荷载直接影响到圆柱体所受的摩擦力、剪切力、压差力和浮力，其公式为：

F=Δp+τ-Sc

； (1)

f=μNc

； (2)

ΔP=ΔpA车端

； (3)

。 (4)

图3圆柱体受力
Fig.3Forcesactingoncylindricalcapsule

式中：F表示圆柱体在管道中受到的沿水流方向的合力；Δp表示圆柱体前后的压强差；f为圆柱体所受的摩擦力；μ为动摩擦系数；A车端表示圆柱体在与水流方向垂直的端面上的投影面积；A车体表示圆柱体的侧面表面积；V2表示圆柱体与管道内水流的流速；V3表示圆柱体运移的速度；ρ表示运输介质的密度；λ表示摩阻系数。由式(1)—式(4)可以看出圆柱体在管道中所受到的合力与车型、荷载等因素息息相关。

3.2 不同荷载对圆柱体运动速度的影响

不同荷载圆柱体在流量为50 m3/h和60 m3/h、体表比C为12.5和14.2的情况下，不同荷载圆柱体在有压管道内运移的平均速度v如图4所示。

图4圆柱体在不同荷载下的平均速度
Fig.4Averagevelocityofcapsuleunderdifferentloads

从图4可以看出，在相同体表比和流量下，圆柱体平均速度与荷载基本上呈现一种线性关系，并且随着圆柱体荷载的增加，圆柱体的平均速度减小。这是因为在其他影响因素不变的条件下，荷载仅影响圆柱体所受的摩擦力。荷载越大，摩擦力就越大，从而圆柱体运行的平均速度就越小。

同体表比圆柱体在荷载相同的情况下，其平均速度随流量的增大而增大。这是因为在其他影响因素不变的条件下，水流流量会影响圆柱体两端受到的压差力和车身所受的剪切力。流量增大，压差力和剪切力都增大，从而圆柱体运行的平均速度就越大。

当流量和圆柱体的荷载都相同时，体表比为14.2的圆柱体比体表比为12.5的圆柱体平均速度大。其原因主要是因为2种体表比圆柱体的差别在于圆柱体的受力面积。在其他影响因素不变的条件下，体表比为14.2的圆柱体受到的沿水流方向的剪切力和压差力都比体表比为12.5的圆柱体大。因此体表比越大，圆柱体运行的平均速度就越大。

3.3 不同荷载圆柱体运动情况下管道内水流的压力分布

在体表比为12.5、流量为60 m3/h情况下，不同荷载圆柱体运移时各测点压强变化情况如图5所示，各测点位置见图2和表1。

图5不同荷载圆柱体沿程压强变化曲线
Fig.5Curvesofpressurechangealongthepipelineunderdifferentloads

从图5可以看出，整体上，不同荷载圆柱体在有压管道内运移时，管道内水流的压强随着距离增大而下降，且荷载不同并不会影响这种趋势。其主要原因是圆柱体在运移时，管道内的能量损失主要分为沿程水头损失和局部水头损失，因此当管道内提供的能量一定时，水流流速不变压强会沿程降低。

从局部上看，管道内水流压强沿程变化曲线大致可以分为3个部分：第一部分为1#—2#断面，该段为直管段1，该段的压强变化曲线较缓，是因为该段的能量损失主要是沿程水头损失；第二部分为2#—4#断面，该段为弯管段，其压强变化曲线较陡，主要原因是该段的能量损失不仅包括沿程水头损失还包括弯管处的局部水头损失；第三部分为4#—5#断面，该段为直管段2，其压强变化曲线与第一部分相同。

对于不同荷载圆柱体来说，在其他因素不变的情况下，同一断面压强随着圆柱体荷载的增大而增大。其主要原因是，圆柱体荷载越大其受到的摩擦力也就越大，因此水流流过圆柱体时受到的阻力也就越大，因此水流压强也就越大。

3.4 不同荷载圆柱体单位能耗分析

圆柱体在有压管道内运移时，其能耗主要分为水流对圆柱体提供的动力和水流与圆柱体及管道内壁的摩擦而产生的能量损失2部分。圆柱体的单位能耗即管道内产生的总能耗与管道长度的比值，其中管道内总能耗可以用伯努利方程求出，即

(5)

式中：Z表示高程；v表示圆柱体速度；P表示断面压强；ρ表示流体密度。

图6不同荷载圆柱体单位能耗变化
Fig.6Variationofunitenergyconsumptionunderdifferentloads

从图6可以看出，在圆柱体体表比和荷载一定时，圆柱体运动时的单位能耗随流量的增大而增大。其主要原因：水流的流量越大，流速就越大，而根据能量方程可知，沿程水头损失和局部水头损失与流速的平方呈正比，所以能耗增加。当圆柱体体表比和水流流量一定时，圆柱体单位能耗随荷载的增大而增大。其主要原因：当圆柱体荷载增大，圆柱体所受的摩擦力也就随之增大，水流要克服摩擦力做功所消耗的能量就越大，因此单位能耗增加。

3.5 不同荷载圆柱体输送率探究

本文中定义输送率为运输距离一定时，单位时间单位能耗内输送物料的质量。其公式表述为

(6)

式中：η为输送率(g/(s·cm))；G为物料荷载(g)；T为输送物料的总时间(s)；H为输送物料的单位能耗(m/s2)。

从式(6)中可以得出，输送率与圆柱体荷载成正比，与输送时间与能耗成反比。根据式(6)以及试验数据，以体表比为12.5的圆柱体为例，得到不同荷载条件下的圆柱体输送率，见图7。

图7不同荷载圆柱体输送率比较
Fig.7Variationoftransmissionrateunderdifferentloads

由图7可以看出，当流量和体表比一定的情况下，圆柱体的输送率均随荷载的增大呈现先增大后减小的趋势。当圆柱体荷载G=4 N时，圆柱体的输送率达到最大。这说明在本文所述的试验工况下，圆柱体荷载G=4 N时，其输送工况为较优的输送工况。出现这种现象的原因是由于物料的输送率是由圆柱体的荷载、运移速度和单位能耗这3个参数决定的，在试验工况下，当荷载较小时，虽然运输时间和单位能耗相对较小，但是根据公式可求得输送率并不高，而当圆柱体的荷载较大时，单位能耗和运输时间相对较大，由公式可得到输送率相对较小。而当流量为变量时，就试验工况的2个流量比较，流量Q=50 m3/h时圆柱体在运移时对于物料的输送率要稍高于流量Q=60 m3/h的工况，这说明在试验工况下，单位能耗对于圆柱体的输送率的影响要稍大于圆柱体在管道内的运动速度。

4 结 论

本试验通过对不同荷载圆柱体在有压管道内运移时的水力特性进行分析，得出如下结论：

(1)在体表比和流量一定的情况下，圆柱体的荷载越大，其在管道中的运移速度越小。

(2)管道内沿程压强随距离逐渐减小，且圆柱体荷载不会影响其变化趋势，同一断面压强值随圆柱体荷载的增大而增大。

(3)在圆柱体的体表比和流量一定的情况下，整个有压管道的单位能耗随圆柱体荷载的增大而增大。

(4)根据本文所述试验工况，在圆柱体的体表比和流量一定的情况下，圆柱体的输送率在圆柱体荷载为4 N时达到最大，因此该输送工况较优。