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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 顆粒物料在管道水力輸送中運(yùn)動(dòng)形態(tài)與阻力變化規(guī)律研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 管道水力輸送是固體物料高效節(jié)能的運(yùn)輸方式之一。本文利用管道水力輸送試驗(yàn)研究了不同粒徑、濃度以及輸送速度條件下顆粒物料在管道中運(yùn)動(dòng)形式的變化和阻力變化規(guī)律。采用現(xiàn)代高速攝影技術(shù)分析了顆粒在管道中運(yùn)動(dòng)的形式，并利用專業(yè)圖像軟件分析顆粒不同運(yùn)動(dòng)形式。得到了輸送運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、水力坡度公式等多項(xiàng)研究成果。
- 詳細(xì)介紹：
- 固體物料管道水力輸送技術(shù)是尾礦充填、水力輸煤等實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，尤其是比較難以輸送的粗顆粒物料。本作品基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了粗顆粒在管道中的最佳輸送形式和壓力損失計(jì)算公式，為工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)對(duì)減少礦渣污染，尾礦壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)以及大宗顆粒物料輸送工程節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文利用管道水力輸送試驗(yàn)研究了不同粒徑、濃度以及輸送速度條件下顆粒物料在管道中運(yùn)動(dòng)形式的變化和阻力變化規(guī)律。采用現(xiàn)代高速攝影技術(shù)分析了顆粒在管道中運(yùn)動(dòng)的形式，并利用專業(yè)圖像軟件分析顆粒不同運(yùn)動(dòng)形式。得到以下主要結(jié)論：1）水平管道中粗顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為懸移、滾動(dòng)推移和滑動(dòng)推移三種。滾動(dòng)推移輸送速度較低，輸送量較小，不滿足應(yīng)用需求，而懸移僅在顆粒小和高速水流作用才能出現(xiàn)，能耗較大，滑動(dòng)推移可作為粗顆粒物料的主要運(yùn)動(dòng)形式；2）基于試驗(yàn)研究結(jié)果提出粗顆粒在水平管道中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由滾動(dòng)推移向滑動(dòng)推移轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界決定條件計(jì)算公式；3）依據(jù)粗顆粒在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下水力坡度的變化規(guī)律，利用量綱分析原則，提出了管道壓力損失計(jì)算公式。從顆粒運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的微觀分析入手，提出了面向工程應(yīng)用的宏觀參數(shù)計(jì)算公式，為管道水力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 固體物料管道輸送技術(shù)作為一種新型物流技術(shù)具有清潔、節(jié)能、不受其他因素干擾的特點(diǎn)，近年來(lái)，管道水力輸送技術(shù)已在很多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，如尾礦充填、水力輸煤、礦石輸送等。本作品設(shè)計(jì)一套管道水力輸送模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，以粗顆粒石英砂作為輸送物料，研究了管道中不同粒徑顆粒在水力作用下運(yùn)動(dòng)形式變化及其臨界條件，并測(cè)量了管道輸送的阻力變化?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出了粗顆粒物料輸送速度和壓力損失計(jì)算公式。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 作品的科學(xué)性：（1）基于大量顆粒微觀運(yùn)動(dòng)形式的觀察分析，提出了顆粒水力輸送參數(shù)確定的依據(jù)；（2）基于大量的管道輸送試驗(yàn)結(jié)果，提出了輸送阻力計(jì)算公式。 先進(jìn)性：表現(xiàn)在測(cè)試方法和手段上，利用高速攝影機(jī)從不同角度立體拍攝顆粒運(yùn)動(dòng)形式，并利用專業(yè)圖像軟件進(jìn)行分析，提出了顆粒不同運(yùn)動(dòng)形式及其臨界決定條件。 本作品獨(dú)特之處是既有基于力學(xué)機(jī)制的微觀分析，又有面向工程應(yīng)用的宏觀參數(shù)計(jì)算公式，研究深入透徹。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 固體物料管道水力輸送技術(shù)是尾礦充填、水力輸煤等實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，尤其是比較難以輸送的粗顆粒物料。本作品基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了粗顆粒在管道中的最佳輸送形式和壓力損失計(jì)算公式，為工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)對(duì)減少礦渣污染，尾礦壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)以及大宗顆粒物料輸送工程節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 管道水力輸送是固體物料高效節(jié)能的運(yùn)輸方式之一。本文利用管道水力輸送試驗(yàn)研究了不同粒徑、濃度以及輸送速度條件下顆粒物料在管道中運(yùn)動(dòng)形式的變化和阻力變化規(guī)律。采用現(xiàn)代高速攝影技術(shù)分析了顆粒在管道中運(yùn)動(dòng)的形式，并利用專業(yè)圖像軟件分析顆粒不同運(yùn)動(dòng)形式。得到以下主要結(jié)論：1）水平管道中粗顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為懸移、滾動(dòng)推移和滑動(dòng)推移三種。滾動(dòng)推移輸送速度較低，輸送量較小，不滿足應(yīng)用需求，而懸移僅在顆粒小和高速水流作用才能出現(xiàn)，能耗較大，滑動(dòng)推移可作為粗顆粒物料的主要運(yùn)動(dòng)形式；2）基于試驗(yàn)研究結(jié)果提出粗顆粒在水平管道中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由滾動(dòng)推移向滑動(dòng)推移轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界決定條件計(jì)算公式；3）依據(jù)粗顆粒在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下水力坡度的變化規(guī)律，利用量綱分析原則，提出了管道壓力損失計(jì)算公式。從顆粒運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的微觀分析入手，提出了面向工程應(yīng)用的宏觀參數(shù)計(jì)算公式，為管道水力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
獲獎(jiǎng)情況
- 無(wú)
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [1]甘正旺, 許振良. 推移質(zhì)間相互作用力研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2005, 2: 3-5. [2]林愉, 黃以細(xì). 潔凈煤柱的實(shí)驗(yàn)研究和性能分析[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2006, 15(6): 84-90. [3]路展民, 楊秀芝, 垂直管湍流液－固流中大顆粒的相對(duì)速度[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 31(1): 29-36. [4]孟慶華, 許振良. 水平管道中固體顆粒推移和懸移狀態(tài)的判別[J]. 水力采煤與管道輸送, 2005, 12(4): 3-5. [5] 鄒偉生.深海采礦揚(yáng)礦管的運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)參數(shù)影響的研究[J].礦冶工程,2003,23(3):12-14. [6] 汪東.非均質(zhì)流水平管道臨界流速研究[J].礦冶工程, 2008, 28(4):20-22. [7] 孟慶華,許振良.水平管道中堆積速度的確定[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2005,6: 3-4,21. [8] 費(fèi)祥俊.漿體與粒狀物料輸送水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994. [9] 倪福生,齊幟.管道輸沙兩層流動(dòng)模型分界面位置的確定[J].中國(guó)港灣建設(shè),2008,1:13-15.
同類課題研究水平概述
- 管道水力輸送是水力采煤、深海采礦、尾礦回填等實(shí)際工程運(yùn)用的技術(shù)基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)管道水力輸送的相關(guān)方面做了不少的研究，主要有以下幾個(gè)方面： 粗顆粒個(gè)體在管道中的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性研究，主要成果有:許振良等人對(duì)顆粒在水平管道中速度分布規(guī)律、推移質(zhì)間相互作用規(guī)律和界限速度求解方法的研究，Sommerfeld對(duì)流體中顆粒個(gè)體受力及相互作用模型進(jìn)行了理論分析，Campbell和McCarthy從顆粒流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)角度入手對(duì)管道水力輸送過(guò)程中顆粒垂向分選及顆粒間相互作用模式與規(guī)律作了研究。其中，壓力損失是粗顆粒運(yùn)輸?shù)闹饕攸c(diǎn)之一，Asakura利用數(shù)模模擬進(jìn)行了垂直管水力提升阻力特性研究；許振良等從固體粗顆粒加速過(guò)程中相互發(fā)生動(dòng)量傳遞的機(jī)理，清水和固體粗顆粒的質(zhì)量和它們的速度變化，以及它們之間發(fā)生的動(dòng)量傳遞關(guān)系等這些基本問(wèn)題的分析出發(fā)，提出了水平管內(nèi)非均質(zhì)流速度分布的新模型。 不同領(lǐng)域的管道輸送工程中的應(yīng)用研究，主要成果有:選礦尾礦水力輸送系統(tǒng)水平管道的動(dòng)力研究，董長(zhǎng)銀與張琪等考慮大斜度井井眼曲度變化和篩管中立下垂偏置等復(fù)雜條件,對(duì)水平和大斜度油井礫石水力填充特性進(jìn)行了研究，初步提出了描述礫石充填過(guò)程的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。林愉等人從節(jié)約水資源和環(huán)保角度考慮，發(fā)展了獨(dú)特的壓制大塊煤柱長(zhǎng)距離輸送技術(shù)，可為粗顆粒輸送形式提供新思路。此外，韓文亮等以深海采礦為背景對(duì)粗顆粒垂直管道水里提升特性進(jìn)行了深入研究。 粗顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)除受物料濃度、管道直徑、水流平均流速等因素影響外，還由受力情況決定，主要的作用力包括重力、浮力、流體對(duì)顆粒的拖拽力、壓力梯度力、顆粒與管壁、顆粒之間的相互作用力等。近年來(lái)，Campbell和McCarthy分析了顆粒流中多顆粒作用的力學(xué)模型，對(duì)顆粒流動(dòng)狀態(tài)下非均勻顆?；旌蠙C(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響因素。粗顆粒在管流中受力特點(diǎn)與微觀運(yùn)動(dòng)特性的研究為粗顆粒水力管道輸送的工程應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，但是受試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬能力的限制，該方面研究仍有待進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。
