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疏浚输泥管道的管堵与阻力影响因素研究

作者: 发布:2014-04-08
疏浚中绞吸式挖泥船的泥泵所吸起的泥浆是 通过长距离的输送管道从疏浚点输送到较远距离 的淤泥存放处理点。由于疏浚泥浆是由固体泥沙 和水相互混合而成,其流量大且浓度高,所以在输 送管道中,泥浆中的固体颗粒会在输送过程中逐 渐分层沉积,聚集在管道的底部,引起泥浆淤积堵 管和管道阻力增大等输泥问题。泥浆管道阻力增 大,增加了泥浆输送能耗,缩短了排泥管输送距 离,限制了疏浚船舶的作业范围,因此,研究疏浚船舶泥浆输送管道阻力的影响因素,并采取相应 的技术措施减小管道阻力,对于延长输泥管道排 距、提高疏浚效率和降低能耗具有重要的工程意 义。国内外许多研究者均在理论和试验上对疏浚 泥浆的管道输送阻力特性进:行研究口 ],重点研究 了泥浆中固体颗粒的大小、形状、浓度、比重和运 动参数、管道壁粗糙度以及流体的粘度等等不同 因素对泥浆输送的管道阻力影响 。],提出了管道 阻力的计算公式,如国外的Durand、Wasp和国内 的费祥俊、王绍周、张兴荣等研究者在试验的基础 上提出了各自的经验或半经验性的管道阻力计算 公式,这些研究成果对于管道阻力研究具有非常 重要的借鉴作用。本文在他们的研究基础上,分析 和计算了几种因素对管道阻力的影响。
1 计算分析模型
1.1 泥浆阻力机理分析
    疏浚船舶的输泥管道中泥浆是不稳定的,它由水和固体泥沙混合而成,在一定流速下,泥浆的 管道输送阻力损失与泥浆的流态和泥沙固体颗粒 的运动形式密切相关。对于理想的均匀泥浆流体 而言,泥浆中的固体颗粒与水均匀混合,在管道的 横截面上浓度分布均匀,以单一的悬浮状态运动, 管道阻力主要由泥浆流体内部剪切摩擦力和泥浆 与管壁之间的摩擦力两者之和组成。而对于高浓 度不均匀的实际泥浆而言,由于固体泥沙颗粒的 比重比水大,在输送过程中泥沙颗粒会以一定沉降速度从水中分离下沉,其浓度在管道的横截面 上分布不同,从管顶到管底,泥浆浓度会逐渐增 加,泥沙颗粒分别以悬浮、跳跃、滚动和滑动等多 种状态存在,在一定流速下泥浆颗粒以悬移运动 形式或推移运动形式运动。悬移运动颗粒的能量 靠水流的紊动动能支持,而推移运动颗粒的能量 靠颗粒问的离散力支持,这种离散力通过推移运 动形式将泥沙颗粒传递到管底层,以摩擦力的形 式消耗能量,所以,泥沙颗粒的这种推移运动直接 消耗水流的能量,其阻力损失与流态密切相关。泥 沙颗粒能量消耗除了与流态有关外,颗粒的大小 也是重要的影响因素,泥沙颗粒越粗越不易被水 流携带,大都以推移质形式输送,额外消耗水流的 能量。在高流速下管道内壁的粗糙度对管道阻力 的影响不容忽视,它增加泥浆与管壁之问的摩擦力而加快管道能量损失。
1.2 阻力计算模型
    1)泥浆的沿程阻力系数。在挖泥船的输泥管道中,泥浆的沿程阻力与泥浆的流态和管壁的表 面粗糙度相关。由于疏浚输送的泥浆流量大,流速 快,其雷诺数较大,泥浆的流态常常处于紊流状态。
3 结论
    疏浚泥浆在管道输送中受到多个因素的影响,文中通过管道内壁粗糙度、颗粒粒径、泥浆浓度和颗粒沉降速度等影响因素的理论分析和计算,从计算结果可得到如下结论:① 随着管道内壁表面粗糙度的增加,管道的阻力系数明显增加。采取措施降低管道内壁粗糙度,可以有效降低管道的阻力;② 随着泥质颗粒的粒径增大,会增大泥浆中颗粒的沉降速度,引起管道堵塞,进而增大泥浆的管道阻力损失,因此,减小泥浆中颗粒的粒径,能够有效改善管道阻塞现象,降低泥浆的管道输送阻力。
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