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物料管道输送的减阻问题 吴爱祥 孙业志 中南大学资源环境与建筑工程学院 长沙, 410083 摘要 为了提高输送效率和节约能源, 使用振动减阻的方法来实现物料的输送减阻。尾砂试验表 明, 振动减阻是切实可行的, 而浆体的浓度和输送速度是两个关键性因素。通过应力波的反射与 透射分析, 认为应力波在管道垂直方向上传播时逐渐衰减, 迫使下层颗粒向上作微小移动, 降低了 浆体的粘性阻力损失。管道振动对层流附面层有较大影响, 使边壁浆体的速度梯度减小, 并导致 边壁剪切应力的降低。同时, 使附面层的厚度加大, 中性稳定雷诺数增加, 阻止流态的转捩。应力 波的作用以及附面层的改变, 最终导致输送阻力的降低。 关键词 管道输送 减阻 振动减阻 应力波 附面层 中图分类号 TU472. 3 引 言 管道输送在技术、 经济、 管理、 环境保护和生产能力方面具有一系列的优点, 近年来, 在许 多领域得到了蓬勃发展。同时, 为了提高输送效率和节约能源, 减阻力学的研究也越来越受到 重视, 出现了多种减阻方法, 使之成为一门独立的学科[1 3]。减阻研究的早期应用是在减小 消防系统的阻力, 增大喷射高度; 城市下水道的污水和洪水排泄; 船舶和水下运动武器等方面。 减阻技术不仅关系到能源的节约和效率的提高, 而且减阻现象与边界剪切端产生的基本规律 联系密切。因此, 近几十年来, 减阻研究取得了较大进展。减阻技术已扩展到离岸石油勘探、 开采及原油和固体物料浆体的长距离管道输送。 目前, 减阻技术在管道输送中的应用主要有石油、 原油、 煤浆、 矿砂、 泥浆及其他物料的浆 体输送[1 6]。但是, 从减阻机理上来划分, 石油和原油的管道输送与煤浆等其他固体物料的 浆体管道输送是不同的。前者是一相体系, 大多仍为牛顿体系的管道输送, 而后者为两相或多 相体系, 大多为非牛顿体系的管道输送。 1 传统减阻方法 1. 1 高分子溶液减阻 1949 年, Toms进行这样的实验 在湍流内流的有机溶液中, 溶解少量的聚甲基丙烯酸甲 脂, 其阻力大幅度地降低。从此以后, 开始利用高分子溶液来实现减阻, 现有关这方面的文献 第 22 卷第 1 期 2002 年 3 月 振动、 测试与诊断 Journal of Vibration, Measurement 修改稿收到日期 2001 12 29。 已很多。能导致减阻的高分子的共同特点是 其额定分子量都是高达百万的, 而且必须是单长 链分子结构且可溶性较好。 关于高分子减阻的力学图形, 有以下几种设想 第一种认为高分子减阻是由于高分子减阻 剂使边界区域产生滑动; 第二种认为是由于高分子溶液延缓了近壁区层流向湍流的过渡; 第三 种认为是稀液改变了流体粘性。高分子溶液减阻只是对湍流 流核 宏观流动 是有效的, 而对 层流则是无效的。即使是内流或外流流核处于湍流情况, 也只是当高分子溶液注入到边界层 区域时, 才能实现减阻, 而注入到流核区则是无效的。 1. 2 弹性膜减阻 六十年代初, Kramer 出于对海豚仿生学的考虑, 提出了一种弹性膜减阻的特殊方法。在 刚性边界上粘结一层弹性膜, 弹性材料的物理常数与力学指标的组合相当完美, 以致在层流附 面层发生波动时, 膜的表面产生同步波动。在发生同步波动的情况下, 边界表面流速将大于 零, 而且边界面的流速梯度减小, 从而减小边界的剪力, 也就减小了由剪力做功所散发的能量, 使阻力系数与外加能源数量减小。 弹性膜减阻在实际应用中存在管道加工工艺上的困难, 而且在物料管道输送中, 护面层抗 磨蚀性能差, 将会加大输送成本。 1. 3 纤维材料减阻 纸浆是最典型的纤维材料, 人们发现纤维材料可以减阻。试验表明, 在一定管径下输送纸 浆时, 随着流速的增加, 阻力也增加。增加到某点后, 阻力达到最大值, 如流速继续增加, 阻力 则开始下降, 下降到某点后, 阻力又继续增加。 这种减阻措施应用的可能性很小, 因为难以找到廉价的纤维材料。另外, 带有纤维材料的 纸浆会给脱水、 污水处理、 环境保护和物料的用户带来一系列的麻烦, 实际应用价值较小。 1. 4 水环减阻 我国学者韩文亮等人针对全尾砂充填料浆的减阻问题提出了 水环减阻 措施。试验研究 结果证明, 这种措施只适用于层流情况, 对紊流区并不适用。 水环减阻 的构想是用低粘度的流体局部置换高粘度的流体, 这样能以低粘度的流体局 部代替高粘度的流体的剪切变形, 降低附壁边界层的粘性从而实现减阻。水环减阻在很多领 域应用较广泛, 例如航运上的气垫船和机械上的空气轴承等, 减阻效果比较明显。 1. 5 高压注气减阻 Heywood 和 Richaidson 等人通过实验研究认为, 在层流中注入气体, 其减阻效果较好。加 气减阻属于三相流问题, 其减阻机理目前还没有搞清楚。一般认为, 掺气后使浆体内部结构发 生了改变, 在桨体与管壁间的小气泡起了 润滑剂 的作用, 从而减小了浆体的摩擦阻力。 1. 6 其他减阻方法 其他减阻方法有型体减阻和细砂泥浆减阻等。型体减阻是探索物体的流线型对保持层流 30 振 动、测 试 与 诊 断 第 22 卷 边界层的影响。这也是早期寻找流体阻力方法时注意力集中和局限的地方, 但至今在固液管 道流减阻中仍不失应用意义。细砂泥浆减阻是在探索高分子减阻时发现的另一种减阻方法, 并通过实验得出细砂泥浆减阻与高分子减阻在减阻机理方面有许多相似之处。 2 振动减阻 1984 年, Kano 在垂直面内 90弯管以及长度为 5 m 的直管上探索振动对栓流气力输送的 影响。结果表明, 弯管的压力降减少了 20, 直管的功率消耗减少了16. 7 。 杨伦做了同样的 试验, 也证明振动减阻是有效的[1 3]。陈广文等通过试验研究了固液两相管道流的振动减阻 问题[ 2], 试验表明, 在高浓度输送时用振动方法实现减阻是一个有效的方法。 2. 1 振动减阻试验 振动减阻技术是通过外力激发管道振动, 以达到减少浆体输送损失为目的的一项技术。 振动减阻试验系统主要由输送系统、 冷却系统和振动系统三部分组成。试验采用两台振动电 机作为振动源, 利用同步振动原理, 使管道产生谐振动, 从而达到减阻[1 2]。 用大红山全尾砂作输送料, 采用四种浓度的浆体进行试验, 分析结果如表 1 所示。表中, w 1和 im1分别表示在常规输送中边壁剪切应力和阻力损失值; w和 im分别表示在振动作用 下边壁剪切应力和阻力损失值; w/ w1和 im/ im1表示振动减阻效果。 表 1 几种输送浓度下的振动减阻试验结果 输送 浓度/ 振动减 阻效果 v /m∀s- 1 1. 01. 52. 02. 53. 0 53. 9 60. 7 63. 8 67. 2 im/ im1 17. 513. 211. 510. 39. 5 w/ w 150. 029. 016. 010. 99. 6 im/ im1 16. 312. 912. 711. 610. 8 w/ w 130. 526. 519. 414. 610. 1 im/ im1 11. 510. 311. 99. 8 w/ w 140. 034. 833. 3 im/ im1 6. 86. 25. 75. 35. 1 w/ w 115. 411. 410. 37. 46. 3 从表 1 中可以看出 不论是用 w/ w1还是 im/ im1来表示振动减阻效果, 不同浓度的浆 体在输送速度为 1 m/ s 时, 振动减阻效果最好; 随着输送浓度的增加, 摩阻损失在阻力损失中 占主导地位, 表现为 w/ w1和 im/ im1更为接近; 当输送速度 v ∃ 2. 5 m/ s, 输送浓度不应大 于63. 5 , 这时可获得较好的振动减阻效果; 当 v 2. 5 m/ s 时, 输送浓度可达 67. 2以上, 即 以相同的减阻效果可输送更高的浆体浓度。 2. 2 振动应力波对浆体的影响[2,7 9] 一般认为, 高浓度浆体是一种理想的宾汉塑性体, 存在着流核区和非流核区两部分[ 1 4]。 流核区中不存在浓度梯度, 而在非流核区中存在着浓度梯度。由于高浓度浆体的这种特性, 使 31 第 1 期 吴爱祥等 物料管道输送的减阻问题 图 1 应力波传播分析图 得振动应力波在浆体中传 播时必然发生波的反射和 透射现象。为研究方便, 假 定在垂直管轴方向由三种 不同浓度和密度的浆体组 成, 如图 1 所示。 假设应力脉冲为 i 0f t , t 0, 在通过 L 面和R 面时将发生波的入 射、 反射和透射。设应力波 从 从∋区传播到 从∋区传播到 区, 其反 射系数和透射系数分别为 23和 ∀23; 应力波从 区传播到 ∋区, 其反射系数和透射系数分别 为 32和 ∀32。应力波在浆体中经多次反射和透射后, 经推导可得 1为减阻前附面层厚度; ∃ 为运动粘性系数; y 为垂向距离。 根据层流附面层理论, 推导可得管道振动时的边壁流速梯度为 du 2 dy y 0 u* 21 ∃ - Ak 2I1 kr I0 kR ∀ dr dy | ei A 为边壁振幅; R 为管道半径; r R - y; k 2 k x- ct; c 为波速。 比较式5 和式6可得 du2 dyy 0 du 1 dyy 0 7 式7说明, 管道振动使边壁浆体的速度梯度小于减阻前的速度梯度。 32 振 动、测 试 与 诊 断 第 22 卷 根据两相流理论, 减阻前后的边壁剪切应力为 w1 du1 dyy 0 w 2 du2 dyy 0 8 其中 为浆体的粘度。 分析可得 w2 w19 由式 9可以看出, 管道振动时引起边壁浆体的速度梯度的减小, 并导致边壁剪切应力的 降低。边壁剪切应力的降低, 即意味着阻力损失的减小, 从而实现了振动减阻的目的。 3 结 论 1为了提高输送效率和节约能源, 人们提出多种方法来实现物料的输送减阻。例如, 高 分子溶液减阻, 弹性膜减阻, 纤维材料减阻, 水环减阻, 高压注气减阻和振动减阻等。 2应力波在管道垂直方向上传播时逐渐衰减, 因而在纵向上颗粒所受的应力逐渐减小。 应力波迫使下层颗粒向上作微小移动, 使浆体在垂直管轴方向上减小了浓度梯度, 降低了浆体 的粘性阻力损失, 达到了减阻效果。 3管道振动时引起边壁浆体的速度梯度的减小, 并导致边壁剪切应力的降低。边壁剪切 应力的降低, 即意味着阻力损失的减小, 从而实现了振动减阻的目的。 参 考 文 献 1 侯辉昌. 减阻力学. 北京 科学出版社, 1987 2 陈广文. 高浓度浆体输送特性与振动减阻试验研究 [ 博士论文] . 长沙 中南工业大学, 1994 3 孙业志. 管道输送物料振动减阻力学机理研究 [ 硕士论文]. 赣州 南方冶金学院, 1999 4 Kireiko G V, Pilipenko V N. Reduction of turbulent drag in flows of viscoelastic media. Fluid Dynamics, 1984, 19 5 717 723 5 Campbel C S, Ailing G. The stress tensor in a two dimensional granular shear flow. J Flind Mech, 1986, 1645 107 125 6 Shen H H, Achermann N L. Constitutive relationships for fluidsolid mixtures. J Eng Mech Div ASCE, 1982, 108 5 148 153 7 Malinowski J Z, Klepaczko J R. A unified analytic and numerical approach to specimen behavior in the splithop kinson pressure Bar. Int J Mech Sci, 1986, 28 6 381 391 8 Bacon C. Numerical prediction of the propagation of elastic waves in longitudinally impacted rods. Int J Impact Eng, 1993, 13 4 527 539 9 王从约, 夏源明, 解艳宁. 非均质变截面杆中弹性波的反射与透射. 应用力学学报, 1998, 15 3 43 50 第一作者简介 吴爱祥 男, 1963 年 2 月生, 教授、 博士生导师。从事散体动力学的科研和 教学工作。曾发表 Influence of vibration on granular flowability and mechanism of aided flow ∗Journal of Central South University of Technology English Edition2001年第 8卷第 4期 等论著。Email wuaixiang mail. csu. edu. cn 33 第 1 期 吴爱祥等 物料管道输送的减阻问题 Matrix Sensitivity Analysis of Eigenvalue Problem in Vibration System Zhang Yimin Department of Mechanics, Nanling Campus, Jilin University Changchun, 130025, China Chen Lif en Department of Mechanics and Engineering Science, Fudan University Shanghai, 200433, China Wen Bangchun School of Mechanical Engineering, Northeastern University Shenyang, 110006, China Abstract In this paper, kronecker algebra and matrix calculus are employed to systematically de velop generalized mathematical ulae for matrix sensitivity analysis of eigenvalues and eigen vectors of a vibration system. T he derivatives of the eigenvalues and eigenvectors are conveniently arranged into 2D matrices. T he results derived are easily amenable to computational procedures. Keywords vibration systems eigenvalue problem matrix sensitivity analysis design variable matrix Study on Drag Reduction of Materials Transported by Pipeline Wu Aixiang Sun Yezhi College of Resources, Environment and Civil Engineering, Central South University of Technology Changsha, 410083, China Abstract In order to improve the efficiency and save the energy, many kinds of s are used to reduce the drag of materials transported by pipeline. Firstly, some kinds of the s are overviewed, then a new , the vibration drag reduction, is elaborated. The experimental re sult of tailings shows that the new is practical, and the slurry concentration and the trans portation speed are two key factors. By the analysis of the reflection and transmission of the stress wave in the slurry, it is considered that when the wave is travelling through the slurry in a direc tion perpendicular to the axis of the pipeline, its amplitude decays gradually with travelled dis tance, which forces the granules in the lower layer a small upward movement, thereby resulting in the reduction of the damping of the slurry. The vibration of the pipeline has great influence on the boundary layer of a laminar flow, which leads to the decrease in the speed gradient and the shear stress of the slurry near the edge. As a result, the action of stress wave and the change of boundary layer make the drag of transportation decrease. Keywords pipeline transportation drag reduction vibration drag reduction stress wave boundary layer 69 No. 1 Abstract in English