胡旭躍,劉 高,李志威

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

螺旋流是一種同時(shí)存在軸向與切向速度分量,且切向速度分量能夠發(fā)揮重要作用的特殊流動(dòng)形式。螺旋流理論廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械、石油化工、水利工程、管道輸送、機(jī)械加工等諸多領(lǐng)域[1-9]。武鵬林等[10-12]提出“旋浮”這一概念,采用裝置把普通直流轉(zhuǎn)化為平軸強(qiáng)制旋流與普通直流復(fù)合而成的螺旋流,進(jìn)而把泥沙顆粒從推移質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙瀑|(zhì),極大地降低了管道輸沙的顆粒阻力,為管道泥沙的高效輸移問題提供了新的解決思路。

外力作用(起旋裝置)和流體的黏滯性是形成穩(wěn)定螺旋流、影響螺旋流流動(dòng)特性的兩大前提條件[10]。王樹立等[13]對(duì)各類螺旋流起旋裝置進(jìn)行了較系統(tǒng)的總結(jié),得出不同起旋裝置對(duì)螺旋流的流動(dòng)特性影響較大,但各種裝置具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),目前還沒有一種起旋裝置能夠適用于各種水流條件。在起旋裝置設(shè)計(jì)理論尚不成熟的條件下,通過改變水流的黏滯性以強(qiáng)化螺旋流的旋流強(qiáng)度并減小螺旋流衰減提高輸送效果,在理論與實(shí)際應(yīng)用中都具有可操作性。高分子聚合物材料作為基礎(chǔ)減阻方法之一,在減阻節(jié)能領(lǐng)域中已得到較廣泛運(yùn)用[14]。關(guān)于聚合物的減阻機(jī)理有多種不同的理論,但是可確定的是柔性高分子聚合物分子鏈可改變清水的物理特性(主要是黏性)是減阻的重要原因[15]。相對(duì)分子質(zhì)量越大,聚丙烯酰胺(PAM)分子組成的線性長(zhǎng)鏈及網(wǎng)鏈越復(fù)雜,PAM水溶液的黏度也相應(yīng)更大[16]。

目前,通過添加高分子聚合物改變水流物理性質(zhì),研究管道螺旋流問題的報(bào)道較少。夏國(guó)棟等[17]通過添加少量的表面活性劑以降低氣液之間的表面張力,增強(qiáng)二者之間的溶解性,從而改變了氣液兩相螺旋流的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。李建敏等[18]的研究表明,氣液管流加入少量的SDS(十二烷基硫酸鈉)之后,氣液兩相螺旋流的流型以彌散型為主,這種形態(tài)大大增加氣液之間的接觸面積、強(qiáng)化了氣液之間的傳熱效應(yīng),并且少量SDS降低氣液界面張力,從而減小管流與管壁之間的摩擦阻力,最終降低管道的壓降損失。然而,現(xiàn)有少量研究成果主要集中于石油化工領(lǐng)域,主要關(guān)注表面活性劑對(duì)氣液兩相流流型和壓降的影響,高分子聚合物對(duì)單相管道螺旋流的流動(dòng)特性影響的研究還較少。因此,本文通過管道試驗(yàn),建立循環(huán)管路測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量含PAM管道螺旋流的管道邊壁靜水壓強(qiáng)和測(cè)針內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng),采用有效起旋距離和邊壁壓力損失2個(gè)重要參數(shù),分析高分子聚合物對(duì)單相流體管道螺旋流的作用效果,以期為管道輸送技術(shù)中的應(yīng)用研究提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行,試驗(yàn)裝置布置見圖1。不同的研究人員給出管流完全發(fā)展至紊流的直線段長(zhǎng)度不盡相同[19-21],尚無一個(gè)確定的理論或者試驗(yàn)結(jié)果符合全部的試驗(yàn)工況。為了避免試驗(yàn)段受到入口的影響,考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地的限制和經(jīng)濟(jì)性要求,設(shè)置管流發(fā)育直線段長(zhǎng)度為57D,其中D為管道直徑,D=0.1 m。

圖1 試驗(yàn)裝置布置(單位:mm)

試驗(yàn)采用光滑程度較高的有機(jī)玻璃圓管,共設(shè)置了7個(gè)靜壓孔:ps00、ps01、ps1、ps2、ps3、ps4、ps5,分別位于直管入口下游5.7 m、6.0 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、10.5 m。設(shè)置了5個(gè)測(cè)量管道水流流速的水平測(cè)孔:ck1～ck5,其位置分別與ps1～ps5一一對(duì)應(yīng),測(cè)孔截面見圖1(a)。測(cè)量孔在進(jìn)行加工時(shí)需要避免毛刺的現(xiàn)象,因?yàn)槊虝?huì)影響水壓傳感器的讀數(shù)。

1.2 測(cè)量?jī)x器

管道內(nèi)流體的速度由變頻控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速間接控制,流速由四川德陽(yáng)東汽公司研制的5孔直頭球形測(cè)針來測(cè)量,球頭直徑為5 mm,感受孔直徑為0.35 mm,測(cè)量直桿采用變直徑結(jié)構(gòu),桿身長(zhǎng)350 mm。采用成都泰斯特公司研制的CY201高精度水壓傳感器測(cè)量管道邊壁靜壓孔靜壓值和5孔直頭球形測(cè)針測(cè)孔內(nèi)動(dòng)壓值。該款傳感器的量程為-15～20 kPa,精度為0.1%,12支傳感器采用智能集線器與計(jì)算機(jī)相連接。起旋裝置對(duì)產(chǎn)生的螺旋流流動(dòng)特性起決定性作用,本試驗(yàn)起旋裝置采用多導(dǎo)葉式局部起旋。多導(dǎo)葉式局部起旋裝置的導(dǎo)流條參數(shù)如圖2所示,導(dǎo)流條的模板選取長(zhǎng)度為300 mm,高度為20 mm,厚度為5 mm的有機(jī)玻璃板。導(dǎo)流條前部直線段長(zhǎng)度為100 mm(B點(diǎn)為分界點(diǎn)),后部彎曲段的長(zhǎng)度為200 mm,最大切向角為20°(最末端C點(diǎn)處的切線與直線段的夾角)。為了減小導(dǎo)流條對(duì)來流的影響,前端A處削成尖角。導(dǎo)流條有3條,導(dǎo)流條之間的夾角為120°。起旋裝置(導(dǎo)流條)設(shè)置在直管首部下游5.7～6.0 m之間的位置(圖1)。

圖2 導(dǎo)流條結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位:mm)

1.3 PAM水溶液

試驗(yàn)選取愛森(中國(guó))絮凝劑有限公司所生產(chǎn)的陰離子型PAM為管流添加劑,相對(duì)分子質(zhì)量為1 400萬(wàn)～1 600萬(wàn),總固形物含量為90.1%,殘余丙烯酰胺的質(zhì)量濃度為225 mg/L。配置PAM水溶液時(shí),將母液充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h,使得固體顆粒完全溶解,形成質(zhì)地較均一的水溶液。若PAM水溶液絮凝成團(tuán)則會(huì)影響它形成均一的高分子鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu),降低抑制紊動(dòng)猝發(fā)效果。在本試驗(yàn)工況條件下,PAM的質(zhì)量濃度為100 mg/L。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 流速測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包括1支5孔直頭球形測(cè)針和5支高精度水壓力傳感器及其他附屬設(shè)備(如軟管、智能集線器),因?yàn)榻M成的部件較多,因此該測(cè)量系統(tǒng)的可靠度需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 實(shí)測(cè)軸向流速沿徑向分布

表1 流量計(jì)算結(jié)果

2.2 壓力測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

整個(gè)測(cè)壓系統(tǒng)由7支高精度水壓力傳感器及其附屬設(shè)備(如軟管、智能集線器、計(jì)算機(jī))所組成。由于組成的部件較多,該測(cè)壓系統(tǒng)的可靠度也有必要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證。通過傳感器測(cè)量管道的沿程邊壁壓力P,計(jì)算得到沿程壓力損失,再利用如下達(dá)西公式得到理論沿程阻力損失hf2:

(1)

其中

λ=0.003 2+0.221Re-0.237

式中:L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度;V為管道斷面平均流速;λ為沿程阻力損失系數(shù)；g為重力加速度。將沿程壓力損失和hf2進(jìn)行對(duì)比分析可驗(yàn)證壓力測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

首先是對(duì)試驗(yàn)的可重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證,這是長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。工況1、工況2試驗(yàn)結(jié)果見圖4和表2。表2中hf1為實(shí)測(cè)阻力損失,Eh為hf2與hf1之間的相對(duì)誤差;圖4中x為沿流向位置(ps01設(shè)置為起始點(diǎn)),邊壁壓力沿程分布的擬合曲線斜率(單位距離邊壁壓力損失)即為表2中的hf1。圖4中工況1和工況2邊壁壓力沿程分布一致性很好,表2中這兩種工況的Eh值分別為5.6%、1.2%,二者相差較小,表明壓力測(cè)量程序和管道系統(tǒng)滿足長(zhǎng)時(shí)間、多頻次的壓力測(cè)量要求。工況3、工況4的實(shí)測(cè)邊壁壓力值擬合的曲線同樣滿足線性分布,表2中這兩種工況的Eh值分別為6.5%、6.7%,二者吻合很好,這說明不同流量下的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)是可靠的。

圖4 實(shí)測(cè)邊壁壓力沿程分布

工況Q1/(m3·h-1)Rehf1/(Pa·m-1)hf2/(Pa·m-1)Eh/% 139.5138389.61711625.6239.5138389.61641621.2331.5110361.41141076.5425.589340.180756.7

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 軸向速度分布

PAM分子組成的線性長(zhǎng)鏈及網(wǎng)鏈形成彈性的微觀結(jié)構(gòu),對(duì)微觀水流結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過程如紊流猝發(fā)等能量交換過程有一定影響,因而在宏觀表現(xiàn)上含PAM的管道螺旋流流速分布與清水管道螺旋流有一定的區(qū)別。

圖5顯示了含PAM管道螺旋流軸向速度分布,圖中工況5的流量為35.5 m3/h。圖5(a)顯示了工況1測(cè)點(diǎn)ck5處加入PAM前后軸向速度分布。由圖5(a)可見,清水螺旋流的軸向速度分布與直流理論值幾乎重合,這是因?yàn)榻?jīng)過45D(起旋裝置形成螺旋流后45倍管徑)的衰減,在管壁邊壁阻力和水流內(nèi)部的摩阻力雙重作用下,管流逐漸由螺旋流轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄖ绷?。然而含PAM的管道螺旋流并沒有衰減至清水管道螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck5處的狀態(tài),表明加入少量PAM之后,減弱了管壁邊壁阻力和水流內(nèi)部的摩阻力對(duì)管道螺旋流旋轉(zhuǎn)能力的衰減作用。

圖5 含PAM管道螺旋流軸向速度分布

圖5(b)給出了工況1測(cè)點(diǎn)ck2處加入PAM前后軸向速度分布。由圖5(b)可見,y/R=0.65附近可以作為清水管道螺旋流軸向流速的一個(gè)分界點(diǎn),相較于普通直流,上部區(qū)域高速流體速度降低,下部區(qū)域低速流體速度提升。這是因?yàn)樵谄鹦b置的影響下,壁面20 mm以內(nèi)的水流受到有機(jī)玻璃板阻隔產(chǎn)生周向的旋轉(zhuǎn)速度,其余核心區(qū)的水流沒有受到物理阻隔,但是水流的黏滯性使得管道中心部分的高速流體與近壁處的流體相互交換,引起了水流能量的重新分配而使得速度分布更為扁平化,這與張紅霞[22]得出的結(jié)論是一致的。而含PAM管道螺旋流的速度分布很不規(guī)律,并沒有清水時(shí)的高速流體降低、低速流體提升的現(xiàn)象,這是因?yàn)榧尤隤AM之后在測(cè)點(diǎn)ck2處(15D)螺旋流能量重新分配還未完成,加入PAM有助于延長(zhǎng)管道螺旋流的“產(chǎn)生—發(fā)育完全”這一過程。

圖5(c)顯示了不同工況測(cè)點(diǎn)ck5處含PAM管道螺旋流軸向速度分布。由圖5(c)可見,不同流量下含PAM管道螺旋流軸向速度分布規(guī)律是一致的,不隨流量的變化而變化。圖5(d)顯示了工況1不同測(cè)點(diǎn)處含PAM管道螺旋流軸向速度沿程分布,由圖可見,測(cè)點(diǎn)ck1、ck2處的速度分布“雙峰”現(xiàn)象較明顯,隨著衰減的推進(jìn),測(cè)點(diǎn)ck3、ck4、ck5處的速度分布趨向于“單峰”形式。

圖6 含PAM管道螺旋流周向速度分布

3.2 周向速度分布

圖6顯示了含PAM管道螺旋流周向速度分布,圖中vθ為周向速度,vθm為最大周向速度。圖6(a)為工況1測(cè)點(diǎn)ck2處的周向速度分布。由圖6(a)可見,加入PAM之后,管道螺旋流周向速度要比清水時(shí)數(shù)值更大,峰值增大了224%,即加入少量PAM之后管道螺旋流強(qiáng)度有所提升。在ck2截面處,清水時(shí)周向速度傳遞到軸心處,即經(jīng)過15D(起旋裝置形成螺旋流后15倍管徑)螺旋流已完全發(fā)展,而加入PAM之后在此處周向速度未傳遞到軸心處,可以判斷螺旋流未完全發(fā)展,表明加入PAM延長(zhǎng)了管道螺旋流的“產(chǎn)生—發(fā)育完全”的過程。

圖6(b)給出了測(cè)點(diǎn)ck2處不同工況含PAM螺旋流周向速度分布,由圖可見,不同流量下的周向速度分布規(guī)律是類似的,不隨流量的變化而變化。圖6(c)顯示了工況1不同測(cè)點(diǎn)位置處含PAM螺旋流周向速度分布。由圖6(c)可見,含PAM管道螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck1、ck2處的周向速度未傳遞到軸心處,螺旋流沒有完全發(fā)展,在測(cè)點(diǎn)ck3、ck4、ck5處的周向速度完全傳遞到軸心處,即螺旋流已經(jīng)發(fā)育完全。螺旋流發(fā)育完全之后的周向速度在達(dá)到最大值之后總體上呈線性衰減。

圖6(d)給出了工況1加入PAM前后最大周向速度沿程分布。由圖6(d)可見,PAM水溶液曲線整體在清水曲線之上,在邊壁阻力和流體內(nèi)部的摩阻力雙重作用下,兩種介質(zhì)條件下的最大周向速度皆沿程遞減。其中清水螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck2(15D)處完全發(fā)展之后,最大周向速度沿程線性衰減的擬合公式為

(2)

PAM水溶液螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck1、ck2處還未發(fā)展完全,在測(cè)點(diǎn)ck3(25D)處螺旋流完全發(fā)展之后,最大周向速度沿程線性衰減的擬合公式為

(3)

清水時(shí)螺旋流在15D處完全發(fā)展,加入PAM之后螺旋流在25D處完全發(fā)展,即加入少量PAM之后管道螺旋流發(fā)展過程(產(chǎn)生—發(fā)育成型)延長(zhǎng)了67%。此外,圖6(d)清水管道螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck1至ck2(開始線性衰減)之間最大周向流速下降約64%,而加入少量PAM之后,管道螺旋流在測(cè)點(diǎn)ck1至ck2之間最大周向速度下降約13%,測(cè)點(diǎn)ck1至ck3(開始線性衰減)之間的下降幅度約為33%。這說明管流由直流經(jīng)過起旋裝置之后,在水流的黏性作用下旋轉(zhuǎn)能量衰減率由清水時(shí)的64%降低至33%。

3.3 重要參數(shù)分析與討論

3.3.1管道螺旋流邊壁壓差

為探究PAM對(duì)于管道螺旋流的管道內(nèi)邊壁壓力變化的影響,采用邊壁壓差這一參數(shù)來分析PAM對(duì)管道螺旋流的壓力特性影響。

圖7是不同流量下含PAM管道螺旋流邊壁壓力P沿程變化曲線,可見不同流量下含PAM管道螺旋流的邊壁壓力沿程變化規(guī)律是一致的,即先線性衰減隨之衰減變?nèi)?這是因?yàn)殡S著螺旋流沿程衰減,管道邊壁阻力與螺旋流內(nèi)部的阻力損失有一個(gè)由大變小的過程。由圖8可知,加入PAM后,管道螺旋流邊壁壓差ΔP(ps1處邊壁壓力與ps5處邊壁壓力的差值)相較于清水介質(zhì)整體上降低,但二者皆隨流量的增大而線性增長(zhǎng)。從表3可知,加入少量PAM之后管道螺旋流的邊壁壓差降低率為18.0%～23.8%。

圖7 含PAM管道螺旋流邊壁壓力沿程變化

圖8 邊壁壓差隨流量變化

工況流量/(m3·h-1)ΔPw/kPaΔPp/kPaε/% 139.51.3031.05619.0 535.51.0820.88818.0 331.50.8800.70619.8 425.50.6250.47623.8

3.3.2管道螺旋流邊壁壓差與阻力損失的關(guān)系

測(cè)點(diǎn)ck1、ck2、ck3和ck4處管道螺旋流軸向平均速度無量綱數(shù)vxm/(gR)1/2分別為2.23、2.24、2.23和2.23(vxm為斷面軸向平均速度),可知沿程各斷面的軸向平均速度無量綱數(shù)基本一致,即各個(gè)斷面的動(dòng)能相同。此外,本試驗(yàn)管道為水平管道,沿程的位勢(shì)能不變,由不可壓縮實(shí)際液體恒定總流的能量方程,即可以認(rèn)為管道螺旋流邊壁壓差的數(shù)值與阻力損失的數(shù)值大小相等。

加入PAM之后,管道螺旋流邊壁壓差降低了18.0%～23.8%,也可以說管道螺旋流阻力損失降低了18.0%～23.8%,即加入PAM有助于降低管道螺旋流的阻力損失。原因可認(rèn)為是加入少量的PAM之后形成的分子鏈網(wǎng)有效減小管道螺旋流邊壁內(nèi)部的紊動(dòng)猝發(fā)活動(dòng)和流體內(nèi)部的阻力,因此減小了能量損失。

3.3.3管道螺旋流對(duì)輸送固粒的影響

在管道內(nèi)螺旋流中,泥沙顆粒有4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即旋浮、貼壁推移、斜位沙波、部分淤積[23]。當(dāng)泥沙顆粒經(jīng)過起旋裝置完全起旋,再經(jīng)過衰減之后由旋浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橘N壁推移時(shí),張紅霞[22]認(rèn)為這一段距離為管道螺旋流的有效起旋距離。有效起旋距離越大,表明管道螺旋流的輸固能力越強(qiáng)。

d=0.075 mm為粗、細(xì)顆粒的分界粒徑,此處進(jìn)行理論分析時(shí)選取d=0.075 mm粒徑作為參考粒徑。由斯托克斯公式,可估算泥沙顆粒的沉速ω:

(4)

式中:γs為泥沙重度;γ為水的重度;d50為泥沙顆粒中值粒徑;ν為水的黏度系數(shù)。當(dāng)泥沙顆粒粒徑小于0.076 mm,式(4)可適用。

將vθm=ω帶入到式(2)和式(3)即可得到在流量為39.5 m3/h的條件下,清水與PAM水溶液螺旋流對(duì)d=0.075 mm泥沙顆粒的有效起旋距離,計(jì)算結(jié)果見表4。表4中L1為PAM水溶液管道螺旋流的有效起旋距離,L2為清水管道螺旋流的有效起旋距離,提升效果TL的計(jì)算公式為

(5)

表4 有效起旋距離計(jì)算

由表4可知,在一定的理想條件下(泥沙顆粒為0.075 mm),PAM水溶液(100 mg/L)管道螺旋流相較于清水管道螺旋流,有效起旋距離提高79.1%～91.5%。隨著流量的增大,加入PAM前后,有效起旋距離線性增大(圖9)。需要說明的是,有效起旋距離只是一個(gè)概化的參數(shù),實(shí)際管流中作用在泥沙顆粒上的周向速度值不一定為最大周向速度值,應(yīng)該為最大周向速度的某一比例值,具體的數(shù)值還是要進(jìn)行加沙試驗(yàn)才能確定,有待于下一步開展研究。

圖9 有效起旋距離隨流量的變化

4 結(jié) 論

a. 加入少量PAM之后,軸向速度相較于清水時(shí)分布更加均勻,周向速度相較于清水時(shí)數(shù)值更大,周向速度峰值增大2.24倍,管道螺旋流的發(fā)展過程(產(chǎn)生—發(fā)育成型)相較于清水時(shí)延長(zhǎng)了67%。

b. 管道螺旋流的各斷面平均動(dòng)能相同,能量守恒條件下邊壁壓力差與阻力損失的數(shù)值大小相同。

c. 加入少量PAM之后,管道螺旋流阻力損失降低18.0%～23.8%,即加入PAM有助于降低管道螺旋流的阻力損失。

d. 加入少量PAM之后,管道螺旋流的輸固能力較清水時(shí)增大79.1%～91.5%,即固體顆粒在相同水流條件下可旋移更長(zhǎng)距離。