粗颗粒固液混合物在管流中水击特性研究

管道水力输送系统由于泵启闭、机械故障等引起提升管道中流速瞬间变化,导致管道内压力剧烈变化,产生的水击对管道破坏极大。对于含粗颗粒物料的固液两相流体,粗颗粒与流体跟随性较差,水击过程中动量传递特性与细颗粒差异较大。基于粒子跟踪测速技术(Particle Tracking Velocimetry,简称PTV)、粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV)以及压力测试系统,研究分析粗颗粒在管道断面的特性试验以及水击过程中颗粒跟随性变化和水击压力变化。得出如下结论：(1)通过PIV技术所采集的数据进行分析,在含低浓度下较细颗粒在管道断面中心部位流速最大,靠近管壁面的流速最小。通过经验公式计算出的清水流速分布曲线与通过试验拟合得出流速分布曲线趋势变化吻合。当平均流速为1.0m/s时,计算值略大于测试值；当平均流速为1.5m/s和2.0m/s时,计算值与测试值几乎重合。这说明0.1mm固体颗粒具有良好的跟随性。(2)通过PTV技术对粒子追踪可知,以管道中心为基点,颗粒在管道断面速度分布呈指数形式,符合圆管紊流分布的经验公式。位于管底部的颗粒流速略小与靠近管项部的颗粒流速。当水体平均流速一定,粒径越大时,颗粒跟随性越差；当颗粒粒径一定,水体流速越大时,颗粒跟随性较好。当水体流速较大时,由于管边壁摩擦的缘故,流体在管壁附近的所受阻力将增加,致使边壁粗颗粒速度大于水流速度。为解释颗粒在管道断面分布不对称,本文取断面上三个位置处的颗粒速度值,并对数据进行拟合。拟合公式的计算值接近实测值,最大误差不超过6.4%。管道断面颗粒跟随性复杂,故只取位于管道中部颗粒的跟随进行分析,拟合公式,其计算值与实测值吻合度较高。(3)结合PTV技术和压力测试系统,分析水力输送管道水击过程中的颗粒跟随性及水击压力。结果表明,在阀门关闭过程中颗粒速度逐渐较小,颗粒在管道断面速度分布呈指数分布。在水击过程中,由于重力作用,颗粒逐渐沉积于管道底部壁面。颗粒粒径与水体流速对颗粒跟随性影响较大。颗粒粒径越大,水体流速较小时,颗粒跟随越差。由于颗粒体积浓度较低,在一定流速下,颗粒粒径对水击压力影响不明显。但是流速的增加加强了流体的紊动效应,水击压力波峰宽度和波峰的持续时问相应增加。