垂直管固体物料水力输送浓度的研究

　　1　前言

　　垂直管中的固体颗粒水力提升是生产中提出的问题,例如深海采矿水力提升,水力采煤煤块提升,挖泥船泥沙及卵石的输送,封闭采矿法中矿物的提升等等。在垂直管水力提升过程中,颗粒不仅受垂直方向的力,而且还受侧向力的作用,使固体颗粒向上运动的同时,有向管道中心运动的趋势。垂直管水力提升中固体颗粒向管道中心集中,形成完全不同于水平管道的浓度分布形式。另外,由于固体颗粒速度一般滞后于周围水团的速度,产生输送浓度随提升速度变化,输送浓度与管道内的浓度不相同的特征。

　　刘大有,路展民^[1]曾对垂直管的浓度分布特征进行过实验测量,给出了管道中心处颗粒浓度高,而管壁处颗粒浓度低的分布形式,但仅分析了固、液两相速度,没有就浓度分布规律进一步进行研究;丁玉龙等^[2]研究了垂直管气、固两相流固相浓度分布,得出固相浓度分布与固体滑移速度、气相速度梯度、颗粒旋转速度、颗粒扩散系数、颗粒直径有关,推导了极其复杂的垂直管截面上浓度分布公式;夏建新等^[3]结合深海采矿,对粗颗粒垂直管水力提升颗粒滑移及滞留效应进行了研究,得到颗粒在垂直管道水力提升中输送浓度小于管道内当地浓度的结论。这些研究成果既有其不足的方面,又具有一定借鉴意义。

　　2　垂直管水力提升颗粒沿管径方向的浓度特性

　　2·1　沿管径方向颗粒受力分析

　　在垂直管水力提升泵出口处,由于受水泵内的水轮扰动作用,颗粒在管道断面上基本均匀分布,但经过在管道中的一段运动,固体颗粒集中于管道中心,形成管道中心浓度大,靠近管壁浓度低的分布形式。这主要由于管壁附近的颗粒受侧向力作用,具有向管道中心运动的趋势。根据分析,主要侧向力有两种:一是Magnus力(FM),固体颗粒在管道中运动时,常常会发生旋转,颗粒两侧的速度差此速度差造成垂直于颗粒与流体相对速度方向的侧向力,其方向与滑移速度、颗粒旋转速度ω构成右手螺旋,大小如(1)式描述

　　二是Saffman力(FS),如果颗粒足够大,并且绕过颗粒的流场有很大的速度梯度,也会产生垂直于颗粒和流体相对速度方向的侧向力,其大小描述为

　　上式中d为颗粒直径,ω为颗粒旋转速度,uf为流体速度,up为颗粒速度,ρf为流体密度,μ为粘滞系数,r为沿管径方向。从公式(1)和(2)看出,颗粒所受侧向力Magnus力、Saffman力主要由速度梯度引起,而速度梯度最大处为管壁附近,管道中心由于速度梯度小,这两个力可以忽略^[4]。在管径方向除了颗粒受侧向力作用外,由于颗粒与颗粒之间碰撞,浓度梯度导致的颗粒由浓度高处向浓度低处的扩散,使部分颗粒离开管道中心向管壁方向运动。最终颗粒在侧向力、碰撞及扩散的共同作用下达到平衡,在管道中心处形成颗粒集中的运动带。颗粒在管道断面上呈现管道中心浓度大,从管中心到管壁浓度越来越低的分布状况。