管道固-液两相流研究的意义、内容和方法

　　1　前言

　　管道固液两相流研究在工程中最典型的应用是固体物料的管道水力输送。相对于其他运输方式,管道水力输送技术起步较晚,但以其能实现连续的长距离输送、运行成本低、效率高、占地少、管道布置易于适应地形变化、无污染和安全可靠等优点,在国民经济各领域获得了广泛应用^〔1〕 。

　　管道水力输送最基本的问题是固液两相流动。对管道中离散的颗粒相与连续的液体相(水)混合运动机理的研究,是管道水力输送技术应用的关键,也是管道输送技术实现工业化的基础。然而,由于固液两相流动的复杂性,管道水力输送物料的理论问题,如固液相互作用机理、固液混合流动的湍流模型等并没有真正得到解决,管道输送工程在设计及运行过程中所遇到的实际问题,如泥浆泵功率配备、输送阻力损失、输送临界不淤流速、最佳输送浓度和管径、减阻措施、管道磨损、堵塞、泥泵管道动态特性与水锤、输送系统安全稳定运行等等,这些问题的解决在很大程度上还依赖于经验和实验。随着国民经济的快速发展,管道水力输送技术的市场需求日益增大,因此,开展管道固液两相流动的理论与实验研究,对于完善管道输送技术理论基础,提高管道水力输送工程的设计和运行水平,促进管道水力输送技术的工业化应用,具有重要的意义^〔2,3〕 。

　　2　管道固液两相流动的研究内容

　　固相颗粒是多种多样的,可以是泥沙、煤粉、水泥、盐类、谷类、面粉、纸浆,甚至是大块的煤团、矿料、渣浆、建筑材料等。种类繁杂,大小、形状、重度等物性参数迥异的颗粒的存在,改变了管道液体流动原有的流场特性,使得管道内部的固液两相混合物呈现复杂多变的流动状态。此外,分散相颗粒的体积浓度、颗粒的粒径分布、两相之间的速度滑移等,都可能在很宽的范围内变化,导致流动结构和流动形态迥异。而描述两相物质运动的参量比单相流几乎增加了一倍。因此与单相流相比,两相流的研究要复杂得多。从工程应用的角度来看,管道固液两相流动的研究内容主要有:

　　(1)阻力特性及减阻措施　管道阻力特性直接关系到物料输送动力设备的选择和运行成本,是管道水力输送技术最为关注的问题。输送速度、固相颗粒浓度、重度、形状、粒度及其分布、液体物理性质、管道内径、壁面糙率等各种因素对管道阻力特性的影响,以及临界不淤流速、管道磨损特性、最佳输送速度、最佳输送浓度等是主要研究内容。研究阻力特性及其变化机理的另一个目的是改进已有的减小混合物流动阻力的措施,如细颗粒减阻、充气减阻、振动减阻及聚合物减阻等新的减阻方法。