不同直徑比管道車運移時的水力特性

摘 要：筒裝料管道水力輸送作為一種新型管道水力輸送技術，通過在料筒兩端分別安裝帶有萬向滾珠的支撐，成功解決了料筒在管道中的懸浮問題并降低了磨損。以直徑比為0.5、0.6、0.7、0.8的管道車為研究對象進行試驗分析。結果表明：對于既定的管道，流量存在一個閾值Q中，當流量小于閾值時，管道車的平均速度隨直徑比的增大而增大，當流量大于閾值時，隨著直徑比的增大，管道車的平均速度表現為先減小后增大的變化趨勢，在直徑比為0.6左右時，管道車的平均速度最小;管道車在載荷、流量、車長和導流條安放角等參數一定的條件下，隨著直徑比的增大，總能耗表現為先減小后增大的趨勢，總能耗最小值出現在直徑比為0.6的工況附近。

關鍵詞：直徑比;管道車;水力輸送;水力特性

中圖分類號：TV134.2文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.025

引用格式：郭亞麗.不同直徑比管道車運移時的水力特性[J].人民黃河，2021，43（1）：129-132.

Hydraulic Characteristics of Piped Carriages with Different Diameter Ratios During Transportation

GUO Yali

（Taiyuan Urban Vocational College， Taiyuan 030027， China）

Abstract：As a new technique of the piped hydraulic transportation， the piped hydraulic transportation of tube-contained raw material， one brace with a universal ball bearing installed at the bottom at each side of the barrel is installed， solves the suspension of the container in the pipeline and reduces abrasion. Based on the different diameter ratios， the experiment on the piped carriages was analyzed. The results show as follows. For the established channel， there is a flow threshold， when the flow is less than the flow threshold， the average speed of the piped carriage is increased along with the diameter ratio， when the flow is greater than the flow threshold， the average speed of the piped carriage is firstly decreased along with the increase of the diameter ratio， then increased， the lowest value occurs around the diameter ratio of 0.6; In any case change of the piped carriage， under the same load， flow， length of the piped carriage and diversion angle of the guide vanes， the total energy consumption value shows the trend is firstly decreased and then increased， the total energy consumption minimum value appear in the pipes near the operation condition of the diameter ratio of 0.6. These conclusions will provide an important reference for improving the technical parameters of the piped hydraulic transportation technique.

Key words： diameter ratios; piped carriage; hydraulic transportation; hydraulic characteristics

1 引 言

在型料管道水力輸送的基礎上提出的筒裝料管道水力輸送技術[1]，是將物料裝在管道車內（一般為圓形料筒），依靠水流的推力作用，推動管道車在管道中運移，將物料輸送到目的地的一種新型輸送方式。管道車是該輸送技術的物料輸送載體，為保證其在有壓管道中的低能耗穩定運行，將其結構設計成帶導流條的圓柱體與帶滾珠的圓柱支撐體組合而成的組合體[2-3]，成功解決了料筒在管道中的懸浮問題并降低了磨損。管道車結構如圖1所示。

管道車在管道中運移時的車速、管道內流場分布以及壓力變化等均受多種因素影響，如直徑比、流量、輸送物料的質量以及管道車的結構等，許多學者對此進行了大量的試驗研究及理論分析。李永業等[4-5]假設管道車在管道內平穩移動并具有足夠的剛度，建立了管道車在湍流中運動的數學模型，通過試驗對數學模型進行了測試，研究結果表明管道車輛速度的計算值在各種影響因素變化的情況下與試驗值相同。胡志毅等[6]對不用荷重條件下的管道車概化圓柱體模型進行了研究，結果表明管道車的運移速度和荷重為負相關關系，且隨著輸送荷載的增大，管道內的能耗損失呈現出逐漸增大的趨勢。張雪蘭等[7]研究了多個管道車串聯布置運行時的環隙水流特性，分析了環隙水流的沿程流速及壓力分布規律。Taimoor Asim等[8-9]通過數值模擬研究了圓柱形輸送體在管道水力輸送中的輸送特性，分析了不同長度圓柱形輸送體的運動速度及管內水流的壓強和流速變化規律。Deniz Ulusarslan等[10-11]研究了低密度球形輸送體在輸送中流體的局部水頭損失系數及管道內流體的壓力梯度，分析了在輸送體運動速度相同的條件下，管道內流體的壓力梯度與輸送體密度的變化關系，得出了輸送體的運動速度越大，壓力梯度就越接近1;90°彎管流體的壓力梯度高于45°彎管的，而且在相同流速和相同輸送體密度條件下，90°彎管流體的局部損失是45°彎管的2～3倍。Zhang Chunjin等[12]采用雙向耦合的方法對不同安放角條件下帶導葉的管道車運移時的環狀縫隙流場水力特性進行了數值模擬計算。Zhang Xuelan等[13-14]運用數值模擬的方法對不同流量條件下的二維和三維環狀縫隙流速度和壓力分布進行了研究。目前對影響管道車運移時水力特性的因素的研究多集中在雷諾數、荷重、導流條安放角等，隨著研究的深入，逐漸對直徑比展開研究。所謂直徑比指管道車外徑d與管道內徑D的比值，管道車外壁與管壁之間形成的環狀縫隙寬度由直徑比決定，而環狀縫隙寬度的變化，不僅會對環狀縫隙內流場的分布產生影響，還會影響管道車前后端面和車身的受力分布。因此，筆者通過對不同直徑比條件下管道車運移時的水力特性進行研究，以期對提高管道車運移速度、降低管道車運移時的能耗損失，以及加快管道車的實際生產應用提供參考。

2 試驗系統及測點布置

2.1 試驗系統

試驗系統主要由流量調控系統、管道車的加入與回收系統、輸送管道組成。其中：輸送管道由有機玻璃圓管組成，管道內徑為100 mm，流量調控系統由渦輪流量計配合閘閥組合而成，管道車的加入裝置為一喇叭狀的垂直管道，管道車的回收裝置為一矩形水箱。試驗時，通過水泵將水流從蓄水池抽入輸送管道，然后利用流量調控系統將流量調節至試驗所需范圍，等到管道內水流穩定后，在有壓水流的作用下管道車開始運動，當管道車經過試驗測點時，記錄其運動時間和管道內壓力變化情況，最后通過管道車回收裝置對管道車進行回收，水流則流入蓄水池，形成完整的閉合循環回路。這其中，管道內水流的壓力采用壓力傳感器測量，管道車的運動速度采用光電傳感器測量，試驗數據采集通過無紙記錄儀來完成。整個管道的長度除以管道車在管道內運移的總時間即管道車的平均速度。試驗系統示意見圖2。

2.2 測點布置

共布置10個壓力測點（1#～10#），各測點的位置見圖2，沿水流方向各測點與投放裝置的距離見表1。

2.3 試驗方案

本文主要研究不同直徑比對管道車運移時水力特性的影響，選定試驗管道車d=50、60、70、80 mm，從而得到直徑比分別為0.5、0.6、0.7、0.8，選用管道車車長為100 mm和150 mm，對應導流條長度l為100 mm和150 mm，導流條參數參照機翼的結構對流體的升力與阻力的影響來選取，安放角θ選定10°、15°，高度h=0.6（D-d）/2，導流條厚為3 mm。管道車輸送質量G為1 150 g和1 250 g，在流量Q=30～90 m3/h范圍內進行試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 不同直徑比條件下管道車平均速度的變化

管道車車長L=100 mm和150 mm、導流條長度l=100 mm和150 mm、導流條安放角θ=15°時，管道車平均速度與直徑比的關系如圖3所示。

（1）從總體來看，對于該試驗，存在一個約為70 m3/h的流量閾值Q中，其可作為直徑比與管道車平均速度關系的一個分界點。

（2）當流量Q

（3）當流量Q>Q中時，隨著直徑比的逐漸增大，管道車的平均速度呈現出先

減小后增大的變化趨勢，只是下降幅度不大，在d/D=0.6左右出現最低點，之后隨直徑比的增大，管道車平均速度又逐漸增大。當d/D<0.6時，管道車直徑較小，使得前后端面以及側面積都較小，管道車受到的推力相對較小，故隨直徑比增大而增大的量相對有限，而屬非流線型物體的管道車此時受到的總繞流阻力等隨直徑比增大而增加明顯，故合力有所減小，管道車運移平均速度稍微下降。當d/D>0.6時，管道車運行的平均速度又呈現增大趨勢，其原因主要是直徑比增大使得管道車運行的總動力增大。

3.2 不同直徑比條件下管道能耗變化

假設管道車在管道內平穩運移，其平均運移速度為v，在運移管道車車身上建立相關坐標系，則管道內水流相對于管道車的速度為v1-v。依據車體建立的坐標系，水流在流經運動管道車前后斷面的能量平衡方程可表示為

Z1+p1γ+α1（v1-v）22g=Z2+p2γ+α2（v1-v）22g+Δhw（1）

式中：Z1、Z2分別為管道車前、后斷面水流的位置水頭;p1γ、p2γ分別為管道車前、后斷面水流的壓強水頭;α1（v1-v）22g、α2（v1-v）22g分別為管道車前、后斷面水流的流速水頭;v1為管道中水流的平均流速。

當流量一定時，管道內徑不發生變化，且取α1=α2=1，則式（1）表示為

Δhw=（Z1+p1γ）-（Z2+p2γ）（2）

由式（2）可知，管道車在管道內運移時整個管路的水頭損失等于管道車前后兩端面的測壓管水頭差。因此，試驗過程中通過壓力傳感測得各測點的測壓管水頭值，利用式（2）即可計算出管道車在管道內運移時的水頭損失。

圖4為車長L=100 mm、導流條長l=100 mm、安放角θ=10°、G=1 150 g和1 250 g條件下，流量分別為50、80 m3/h時，管道車在管道內運移時的總水頭與直徑比的關系。

（1）在同一工況條件下，管道車運移時總水頭損失隨直徑比的變化趨勢大致相同，即隨著直徑比的增大，總水頭損失先呈現出逐漸減小的變化趨勢，當直徑比為0.6左右時，其最小，之后隨著直徑比的增大，其呈現出逐漸增大的變化趨勢，說明直徑比是影響管道車運行時車前后兩端面的水頭損失和環隙水流紊動損失的關鍵因素。

當直徑比d/D<0.6時，流量一定，直徑比越小，管道車直徑越小，管道車與管壁所形成的環狀縫隙寬度越大，環狀縫隙流流速值減小，同時車體兩端面及側面受力面積也減小，受到的軸向向前推力相應越小，水流動力有效利用率越低，從而輸送總水頭損失增大。

當直徑比d/D>0.6時，隨著直徑比的增大，管道車直徑變大，車體周圍環狀縫隙減小，縫隙流流速增大，雖然水流能量轉化為車體運動能量的效率增大，但此時縫隙流流速的增大導致車體側面與管壁間局部水頭損失急劇增大，由于管道車運行過程中車后會不同程度地產生旋渦，因此渦體從產生到衰減直至消失也伴隨著一定程度的能量損失。這些都是使輸送總水頭損失隨著直徑比的增大表現為增大趨勢的重要原因。

當流量Q>Q中時，在管道內流量、輸送物料荷重、車身長度以及導流條長度、厚度、安放角等因素不變的情況下，管道車平均速度在直徑比d/D=0.6左右出現最低點，即管道車獲得的動能最小，這也是能耗值在直徑比d/D=0.6左右出現最小值的一個重要因素。

因此，在管道車工業化應用過程中可以把直徑比作為管道車低能安全運行工況優選的重要控制參數。

（2）在輸送工況一定時，隨著管道內流量的不斷增大，管道車運移時總水頭損失也增大。在輸送流量、直徑比、車身長度以及導流條長度、厚度、安放角一定時，管道車運行的總能耗隨著輸送物料荷重的變化而變化，說明輸送物料荷重也是影響能耗的一個重要因素。

4 結 論

通過對不同直徑比條件下管道車運動時的水力特性進行研究，得出如下結論：

（1）當流量Q

（2）當流量Q>Q中時，隨著直徑比的增大，管道車的平均速度表現為先減小后增大的變化趨勢，在直徑比為0.6左右時，管道車的平均速度最小。

（3）管道車在輸送物料載荷、流量、管道車車長和導流條長度、厚度、安放角等參數不變的條件下，隨著直徑比的增大，總能耗呈現出先減小后增大的趨勢，且在直徑比d/D=0.6左右出現最小值。

因此，直徑比是影響管道車運移的一個重要因素，適當地選取直徑比既可以提高運輸速度，又能盡量降低能耗，提高運輸的效率。

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【責任編輯 張華巖】