复杂条件下颗粒物料管道水力输送机理试验及其应用研究

本项目针对复杂条件下颗粒管道水力输送工程技术需求开展研究。利用试验研究深入分析非均匀颗粒在管道中运动力学特点、复杂物料组成条件下固液混合物流变特性与阻力特性、高浓度浆体中粗颗粒流流动特点与流体滤失条件下颗粒流动规律等研究，揭示复杂物料组成、复杂流体性质以及复杂流动条件下管道输送的基本规律；结合正在进行的粗颗粒在复杂形态管道中输送机理项目研究工作，建立非均匀颗粒，多流体性质以及变质量水砂流等复杂条件下理论分析模型，建立联系微观颗粒运动力学特点和宏观流变与阻力特性的理论分析系统，丰富和完善管道输沙理论体系；提出非均匀颗粒物料在管道中运动形式划分标准和临界条件、固液混合物不同流变特性转化条件及其管道输送阻力损失计算公式、变质量水沙流安全输送条件等，为固体物料水力管道输送技术应用奠定基础。

管道水力输送是一种高效清洁的固体物料输送方式。近年来颗粒物料管道水力输送应用领域越来越广，应用条件越来越复杂，不仅颗粒粒径越来越大、物料组成越来越多样、固相浓度越来越高，而且工艺条件也越来越复杂。如深海矿产资源水力提升，多种工业物料混合输送，高浓度矿山尾矿膏体充填，油井砾石充填等。.本项目针对复杂条件下颗粒管道水力输送工程技术需求开展研究。利用试验研究深入分析非均匀颗粒在管道中运动力学特点、复杂物料组成条件下固液混合物流变特性与阻力特性、高浓度浆体中粗颗粒流流动特点等研究，揭示复杂物料组成、复杂流体性质以及复杂流动条件下管道输送的基本规律；建立非均匀颗粒，多流体性质等复杂条件下理论分析模型，建立联系微观颗粒运动力学特点和宏观流变与阻力特性的理论分析系统；提出非均匀颗粒物料在管道中运动形式划分标准和临界条件、固液混合物不同流变特性转化条件及其管道输送阻力损失计算公式等，为固体物料水力管道输送技术应用奠定基础。.根据本项目的试验研究和理论分析，得到的重要结果与关键数据如下：.1）利用旋转粘度计和自制的毛细管流变试验仪开展了不同粒径大小的颗粒组成的浆体的流变特性，分析了不同混合配比的粗细颗粒物对流变参数的影响，探讨了固液混合物从浆体到膏体不同形态的转变条件，得到了复杂物料组成条件下的浆体流变参数计算方法。在试验物料条件和浓度条件下，粗细颗粒配比在6:4和6:4之间可以获得最佳的流动性能。浆体向膏体转变的临界质量浓度在46~55%之间。.2）以神渭长距离输煤管线工程为案例，分析了浆体管道输送整个工艺流程管道内部流体变化特征，可分为全水、浆推水、全浆、水推浆四种工况，根据不同工况条件计算了管道内部压力变化。在此基础上，分析比较了缩小管径、末端加装消能板以及加装储压罐等防止加速流不同措施下的效果。.3）以深海采矿和砾石充填等粗颗粒矿石管道水力输送为应用背景，利用试验研究了粗颗粒在复杂形态管道中运动形式及其决定条件，根据试验结果将粗颗粒运动划分了颗粒扬动、间歇推移、连续推移以及悬移四种形态，并提出了不同形态的定量判定标准，建立了输送阻力与各变量间的定量关系。. 上述研究成果不仅可为管道水力输送工程设计提供依据，还丰富和完善了固液多相流体动力学和管道输沙理论体系，在工程应用和学术研究方面具有重要的意义。