管道加氣助送模型與原型相似性及試驗臺設計

湯 勃，孔建益，饒潤生

（1武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢430081；2武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢430063）

目前絞吸式挖泥船疏浚作業時泥漿的排放是以泥沙和水形成固－液兩相流的方式進行的，這種方式排距短、能耗高、效率低.為延長排距常采用中間接力泵站，但此法投資大.采用氣體助送泥技術，即以一定的方式向排泥管加入一定的氣體，在排泥管中形成氣－固－液三相流，可以達到延長排距、提高效率、環保節能的目的.

為研究加氣助送泥管道輸送技術，弄清管道流量、泥漿濃度、加氣壓力及加氣量等參數對減阻助送效果的影響，加上對實物進行試驗會有很大經濟上等方面的困難，所以進行模型試驗研究方法.在此基礎上，將試驗結論轉換到原型，這就需要相似理論來指導［1］.為此，應對模型（實驗臺）與原型（挖泥船排泥管）的相似關系進行分析，以此作為設計實驗臺的依據.

1 試驗臺與實船的相似關系分析

1.1 試驗臺相似準數的推導

泥漿在管道中的流動狀態可近似為粘性不可壓縮流體的非定常等溫流動，由微分方程式經過相似轉換獲得相似準數，也可從控制物理現象的作用力的一般表達式出發，求出各種力的比尺關系式，然后根據各種作用力之比必須相等的動力相似準則，求出相關的比尺關系式.三相流管道漿體運動的作用力可以認為是：重力、慣性力、粘滯力和紊動阻力，它們的一般表達式及相應的比尺關系式為［2］：

重力比尺

式中，ρ為流體密度，g為重力加速度g，l為物體的特征長度；下標y表示原型，m表示模型，λ及其下標的組合表示各種比尺.

慣性力比尺

式中，a表加速度.

粘性力比尺

式中，V為特征速度.

紊動剪力比尺（以與水流方向平行的平面剪力為例）

式中，l為流體的幾何尺度，u／沿x軸的脈動流速.

由慣性力重力比相似比尺關系式可得弗汝德相似律

或

由慣性力粘滯力比相似比尺關系式可得雷諾相似律

或

由慣性力紊動剪力比相似比尺關系式可得紊動阻力相似律

或

由壓力與慣性力的相似比尺關系式可得到歐拉相似律

或

由流速、長度和時間三者之間的關系可得時間相似律

或

上述關系式是決定三維紊動水流比尺關系的依據.

1.2 原型的流動狀態

試驗研究的原型是1 750m3／h絞吸式挖泥船排泥作業，該船的主要技術參數如下.

挖泥產量為1 750m3／h，泥泵總流量為8 000 m3／h，雙泵串聯總揚程為90m，設計標準排距為2 000m，排泥管直徑為700mm，泥漿濃度為15%～18%.

影響泥漿在管道中運動的物理量主要有平均流速V、通道尺寸L、壓力降ΔP、重力加速度g，以及流體的密度ρ，粘性系數μ等.

泥漿在管道內流動的濃度不高，基本上屬于牛頓體.常溫20℃的清水的雷諾數為

因Re遠大于104，故管道內的流動處在紊流阻力平方區.

1.3 各相似準數在模型中的作用分析

在上述的相似準數中，要想完全滿足各個相似準則一般是不可能的，所以要找出主要矛盾，舍棄次要條件，以使問題得到合理的解決［3－4］.

1.3.1 重力相似準則 在管流中，流體由泵加壓輸送，屬于有壓強迫流動，重力對流動的影響很少而忽略不計，故試驗時可略去Fr準則.

1.3.2 時間相似準則（斯特魯哈數相似準則） 在管流中，雖然處在紊流狀態，但其時均值是不變的，可將把流體中某一質點沿某一方向的速度按

來處理.這樣St準數就可不考慮.

1.3.3 紊動阻力相似準則 在管流中的紊動剪切應力

沿流動方向上單位面積的紊動剪切應力

寫成比尺關系式為

可得

即原型與模型的沿程阻力系數相等.

1.3.4 壓力相似準則（歐拉相似準則） 此相似準數若用壓差表示，即

而流體流過工程設備時，其壓力損失與其動壓頭成正比，即

由此可知

因此歐拉數不是定性準數，在阻力相似中能自動得到滿足.因原型處于阻力平方區，此時阻力系數與雷諾數無關，只與管壁的相對粗糙度（Δ／D）有關.

1.3.5 層流粘性阻力相似準則（雷諾相似準則）

因原型阻力系數與Re無關，但與相對粗糙度Δ／D有關，故試驗只需安排在Re＞104的條件下進行.所以模型中的Re數不必與原型的相等.在管流相似中主要是阻力相似，試驗管流速度應滿足Re＞104.

2 試驗臺總體構造

本試驗裝置由管道輸送系統、攪拌系統、加氣系統和測控系統組成（圖1）.

2.1 管道輸送系統

試驗裝置設計為閉式循環系統，即泥漿從泥池吸出仍排回泥池中.

1）主泥漿泵：型號6／4L×L－N－19，揚程19m，流量115m3／h；電機功率15kW，轉速1 450r／min.

2）排泥管：內徑122mm，管道總長145m，測量長度130m，在75m處由180°彎頭將泥漿輸入泥池以便循環.

3）玻璃管：用以觀察泥漿在管道中的流動狀態，在管道的15m和120m處各設一根，長1m.

圖1 加氣助送試驗裝置結構圖

2.2 攪拌系統

主要由攪拌泵和泥漿池組成.攪拌泵使泥漿池中泥砂和水通過攪拌而盡可能充分混合，以模擬原型的泥漿環境.

1）泥漿池：內徑2.7m，容積9m3.

2）攪拌泵：LZ－WP型污水泵，揚程42m，流量90m3／h；電機功率22kW，轉速2 950r／min.

2.3 加氣系統

用于向管道中加入氣體，包括射流泵、空氣壓縮機、空氣瓶、各種氣閥和氣液混合裝置即噴嘴組成.在輸泥管分出一路支流，經射流泵增壓后從噴嘴重新加入到輸泥管中.壓縮空氣的壓力及流量及相應的氣閥控制，由噴嘴加入到排泥管.

1）空氣壓縮機：流量 0.9m3／min，額定壓力0.7MPa，功率為7.5kW.

2）射流泵：型號50ZW15－30，流量15m3／h，轉速2 900r／min，揚程30m.

3）空氣瓶：試驗壓力0.77MPa.

4）加氣噴嘴：采用旋轉射流裝置，將旋轉射流水、氣混合噴射噴嘴將空氣細化，壓縮空氣平行從切向進入噴嘴錐形內腔做圓周運動，經旋轉加速后空氣被破碎成微小氣泡，然后從噴嘴噴出形成錐環狀射流噴向主管壁.另一路壓縮空氣由軸向進入噴嘴，加強旋轉射流的軸向速度［5］.

2.4 測控系統

測控系統主要由上位機、下位機（帶有標準接口的智能儀表）和相應軟件構成主從式多機通訊系統.其中下位機測量的信號主要有管道沿線壓力、氣體流量和管道流量.

測試系統框圖如圖2所示，其測試流程為：下位機對各傳感器傳送來的模擬信號經調節放大后變成0～5V直流電壓信號，再進行A／D轉換.上位機通過RS232／RS485轉換器和RS485總線與下位機通信，構成主從式多機通信系統.上位機輪流發出各下位機通信命令，將測量的實時數據從串行口讀入上位機，以便顯示、分析和存儲.

圖2 測試系統框圖

3 結束語

在絞吸式挖泥船疏浚作業的排泥管道中，其管流相似主要是阻力相似.在進行模型試驗時，應選用泥沙粒徑分布與原型相同的泥漿進行，相對粗糙度應經查表或用經驗公式換算得出，這樣就可將試驗結果轉換到原型.

［1］張遠君.兩相流體動力學［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1987.

［2］謝鑒衡.河流模擬［M］.武漢：水力電力出版社，1987.

［3］饒潤生，任繼群，徐立偉，等.空氣助送呢實驗臺與原型的相似關系［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2002，26（3）：306－308.

［4］湯 勃.三相流管道輸送加氣減阻與助送技術研究［D］.武漢理工大學圖書館，2002.

［5］湯 勃，孔建益，饒潤生.管道氣體助送的加氣裝置試驗研究［J］.機械設計與制造，2011（6）：152－154.