基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2张羽,王昭玲,杨玉雯,等.基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):275-280.ZHANG Yu,WANG Zhaoling,YANG Yuwen,et al.Experimental study on hydraulic conveying of material storehouse based on circular spiral flowJ.Water Resourc
2、es and Hydropower Engineering,2023,54(S2):275-280.基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究张 羽,王昭玲,杨玉雯,王相桥(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046)收稿日期:2022-10-01基金项目:2021 年郑州市科技协同创新专项(410102010201)作者简介:张 羽(1970),男,副教授,博士,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:zhy 通信作者:王昭玲(1997),女,硕士研究生,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:924454409 摘 要:圆管螺旋流水力输送物料仓系统将管道水力输
3、送技术和螺旋流输固机理相结合,减少了水质污染、管道易堵塞磨损和耗能高等缺点。通过物理模型试验,研究了多种水流、边界因子对物料仓输送速度的影响。结果表明:系统中局部起旋管导流条安放角为 45时物料仓的输送速度最高,随着流量的增大输送速度增大,而随着物料密度的增大,物料仓的输送速度呈现减小的趋势。研究结果揭示了水流流量、物料仓密度对物料仓输送速度的影响程度,为圆管螺旋流水力输送物料仓系统的优化设计提供一定参考。关键词:物料仓;螺旋流;管道输固;量纲分析DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.045中图分类号:U173.9文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2
4、-0275-06Experimental study on hydraulic conveying of material storehouse based on circular spiral flowZHANG Yu,WANG Zhaoling,YANG Yuwen,WANG Xiangqiao(School of Water Resourse,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,Henan,China)Abstract:The circular tube spiral
5、flow hydraulic conveying material bin system combines the pipeline hydraulic conveying technol-ogy and the spiral flow solid conveying mechanism to reduce the disadvantages of water pollution,easy blockage and wear of the pipeline and high energy consumption.In this paper,the influence of various wa
6、ter flow and boundary factors on the conveying speed of material silo is studied by physical model test.The result show that the conveying speed of the material silo is the highest when the placement angle of the guide bar of the local rotating pipe in the system is 45.The conveying speed increases
7、with the in-crease of the flow rate,and the conveying speed of the material silo decreases with the increase of the material density.The research result reveal the influence of water flow rate and material warehouse density on the conveying speed of the material warehouse,which provides a certain re
8、ference for the optimal design of the material warehouse system of pipe spiral flow hydraulic conveying.Keywords:material compartment;spiral flow;pipe conveying;dimensional analysis0 引 言0 引 言 随着管道水力输送技术的飞速发展,在冶金、煤炭、化工、水利等众多工业领域变得越来越广泛,充分体现了管 道 输 送 的 优 越 性 和 强 大 生 命力1。但传统的管道水力输送存在着各种各样的缺点,例如:一般的直流管道往
9、往需要大流速才能输572张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期送高浓度的物料,因而造成高能耗2;输送浆体类物料会对管道内壁造成损坏和堵塞3;输送具有耐水抗磨特性型体类物料会对水质造成破坏。针对以上问题,管道水力输送技术和螺旋流输固机理相结合,提出了圆管螺旋流水力输送物料仓系统。将物料置于物料仓内形成密闭结构,在管道螺旋流的作用下实现旋移输送,物料仓避免了与管道内壁接触,且管道内是清水,可以起到循坏利用和环保的作用4。对于螺旋流输固技术,张羽等5采用模型试验与理论分析相结合的方式进行了泥沙在管道螺旋流中运动情况的研究,探讨了
10、泥沙由推移转变成“旋移”所要求的水力条件和螺旋流用于高浓度输沙的可能性;任万森等6使用断面模型试验研究了固粒在螺旋管流的轨迹和分布;彭龙生等7对由物理模型试验得到的螺旋管流中固粒的分布特性进行了理论上的解释,说明了螺旋管流用于输移固粒的优越性。张羽等8基于物理模型试验针对不同起旋条安放角的排淤器进口流速分布特点进行研究,为利用螺旋流进行排淤研究奠定理论基础。经已有研究成果可知,螺旋流输固技术的关健在于管道中螺旋流的产生,而物料仓是在管道螺旋流的作用下输送,直接影响物料仓的运动和能耗,进而影响物料仓的输送速度。本文针对影响物料仓输送速度的各因素进行物理模型试验研究,并探讨各因素对物料仓输送速度的
11、影响程度,为圆管螺旋流水力输送物料仓系统尽早应用于实际工程建立基础。1 试验系统与方案1 试验系统与方案1.1 物料仓的结构 物料仓主要由弹头、仓体、螺旋导叶及橡胶后盖四部分组成。具体结构如图 1 所示。注:1弹头;2仓体;3螺旋导叶;4橡胶后盖图 1 物料仓结构示意弹头的设计主要是为了使物料仓在水流中行进时减少水流对其的阻力,且弹头设计为空心,可用于装载物料;仓体作为装载物料的主体,是物料仓的重要组成部分,可用于装载不同种类甚至不同形态的物料,为圆柱体状,由透明有机玻璃管加工制作而成;在仓体部分的外壁环绕了一定角度的螺旋导叶,螺旋导叶的两端均要顺应水流的方向打磨成弧度,减少因螺旋导叶的厚度对
12、水流产生的阻力。后盖为橡胶皮塞,使物料能够装载和卸载的同时,还要保证其良好的密闭性,防止水进入仓体使其密度发生变化和物料进入管道对清水造成污染。1.2 试验系统 整个试验系统主要由蓄水池、水泵、流量计、局部起旋管、进料管、物料仓等组成。整体结构三维模型如图 2 所示。主体管道采用内径 D=80 mm 透明亚克力圆管,各个衔接处通过法兰盘连接,方便拆卸,全长 5.9 m,试验管段长 4.2 m;所有管段都是透明亚克力材质加工制作,为方便观察物料仓在管道内的运动状况。注:1蓄水池;2水泵;3流量计;4局部起旋管;5进料仓;6试验管段图 2 圆管螺旋流水力输送物料仓系统的三维模型(单位:mm)1.3
13、 试验方案 试验开始前启动水泵将蓄水池中的水注入管道,通过调节变频控制器调节水泵流量获取试验所需流量值,待流量稳定后,将物料仓装进下料装置,挡针落下挡住物料仓,下料装置下放入进料管,使物料仓中轴线与管道中轴线重合,拔出挡针,通过慢速摄像机录制物料仓在管道内运动情况,记录物料仓经过试验管段的时间,根据速度公式求取物料仓输送过程的平均速度。本文以流量、局部起旋管导流条安放角、物料仓密度、物料仓螺旋导叶角度为试验变量,采用控制变量法,研究 4 个变量对物料仓输送速度的影响程度。具体试验参数如表 1 所列。672张 羽,等/基于圆管螺旋流的物料仓水力输送试验研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 20
14、23 年第 S2 期表 1 试验设计参数流量/Ls-1物料仓物料密度/gcm-3局部起旋管导流条角度/()物料仓螺旋导叶角度/()7.21.453008.01.6045108.71.7560209.41.903010.182.0540无2 试验结果与分析2 试验结果与分析2.1 不同流量下的物料仓输送速度 水作为圆管螺旋流水力输送物料仓系统的主要载体,是物料仓运动的主要动力来源,决定着物料仓的输送速度。因此,试验采用控制变量法,保持物料仓密度为 1.9 g/cm3不变,对试验结果进行分析,不同流量下物料仓的输送速度关系如图 3 所示。由图 3 可知,无论局部起旋管导流条安放角、物料仓螺旋导叶角
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