水平管內(nèi)伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性

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1、水平管內(nèi)伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性-水利治理　　1引言　　冰-水兩相流是冰和水的混合流體，具有溫度為0℃，固相的比重接近于1等特點(diǎn)，類似的還有雪-水混合流體等。有關(guān)冰-水流動和雪-水流動的研究，在國外如日本、加拿大等國家的學(xué)者在80年代末90年代初，已注意并開始對這類問題進(jìn)行研究。目前，在國內(nèi)對冰-水流動和雪-水流動的研究報告還很少。然而，近年冰、雪引起的問題也逐漸在我國顯露出來。例如，初春的冰川、冰河開河時發(fā)生冰凌流的冰堆有阻塞河流、渠道的危險，并且直接威脅到河流上面架設(shè)的橋梁安全等的消息時有報道。又如，針對城市交通、高速公路等在冬季進(jìn)行大面

2、積、快速清除冰、雪，都涉及到冰-水和雪-水流動的問題?！　”?水流動屬于非沉降性固液兩相流，如果不存在冰顆粒之間的粘結(jié)現(xiàn)象，冰-水混合流體的管路輸送系統(tǒng)應(yīng)該是穩(wěn)定和安全的?？紤]到冰-水體系中冰顆粒之間的粘結(jié)現(xiàn)象，所以冰-水兩相流應(yīng)稱為含有粘性顆粒的非沉降性固液兩相流。從高橋弘等人[1]對冰-水流體粘度測量結(jié)果看，測量數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)無規(guī)律的變化，這在一定意義上也顯露出冰-水體系粘性變化的復(fù)雜性。根據(jù)以往的研究報告[2]，冰-水流體輸送管路在較高流速范圍內(nèi)流動比較穩(wěn)定；但是，對于低流速范圍內(nèi)輸送管路的壓降和穩(wěn)定性如何，研究很少。考慮到河道、渠道的冰凌流，

3、或者是冰水流體潛熱的利用[3]系統(tǒng)管內(nèi)的流動特點(diǎn)，有必要研究低流速流動的冰-水兩相流動特性。　　因此，作者使用粒徑為12mm的碎冰，管徑為49.7mm水平管路，用冰-水兩相流與聚苯乙烯-水兩相流的比較研究方法，對伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性以及輸送壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究?！　　　　　?實(shí)驗(yàn)裝置　　實(shí)驗(yàn)使用的裝置略圖，如圖1所示，由混合槽、顆粒泵、電磁流量計、測試管等流動參數(shù)測量設(shè)備組成。測試管是內(nèi)徑為49.7mm，長度為12m的透明管；并能使用高速攝像機(jī)進(jìn)行攝像，以便詳細(xì)觀察冰顆粒的運(yùn)動特性。觀察窗是套在圓管外并充滿清水的四棱柱面體，以防止光線通

4、過透明圓管曲面時發(fā)生折射影響拍攝圖像。另外，混合槽內(nèi)設(shè)置有一定大小網(wǎng)格的網(wǎng)槽，使循環(huán)管路的吸入口放置其中，其作用是避免被破碎后的小顆粒冰塊再吸入管路內(nèi)，以保證測試管內(nèi)流動冰顆粒的粒度不變?！　?shí)驗(yàn)中，壓降的測量采用了應(yīng)變儀型差壓傳感器，流速、壓力變化和壓差等數(shù)據(jù)使用計算機(jī)進(jìn)行采集。為了便于仔細(xì)觀察冰-水兩相流動狀態(tài)，使用了高速攝像系統(tǒng)（NACHSV-400），該系統(tǒng)的幀速率為200FPS（1/200秒），示蹤顆粒采用3%左右的紅色冰顆粒。另外，為了使冰-水流的溫度在0℃不變，始終保持混合槽內(nèi)有冰積存?！　?shí)驗(yàn)中使用的冰顆粒等體積當(dāng)量直徑是12mm，

5、冰的比重是0.917，冰-水兩相流的輸送濃度由下式定義，即　　　　　　式中Qi和Qw分別是冰和水的流量，G是單位時間T內(nèi)的混合流體的重量，A是管面積，Vm是流體平均速度?！　?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析　　3.1冰-水兩相流動狀態(tài)的觀察　　實(shí)驗(yàn)中對于冰-水流動狀態(tài)的觀察，采用高速攝像和肉眼觀察兩種方法。圖2是實(shí)驗(yàn)中的肉眼觀察和錄像的觀察結(jié)果獲得的示意圖。如圖所示，輸送速度從高到低逐漸減少時，管內(nèi)冰-水流動狀態(tài)的變化樣式可以依次劃分為(a)、(b)和(c)所示的三種流動狀態(tài)。其中，圖2(a)是從冰顆粒在管內(nèi)呈現(xiàn)似均勻分布狀態(tài)，圖2(b)是管頂部有冰顆粒懸浮層的

6、同時，冰顆粒層下有部分顆粒跳躍移動，圖2(c)是管內(nèi)冰顆粒基本上全部集中在管上部形成懸浮床。圖3是與圖2(b)所示的流動狀態(tài)相似的實(shí)拍圖像的黑白打印結(jié)果。對比實(shí)驗(yàn)使用了比重為0.86的聚苯乙烯-水兩相流體。圖4是聚苯乙烯-水流動狀態(tài)實(shí)拍的圖像的黑白打印結(jié)果。圖4也是與圖2(b)所示的流動狀態(tài)相似?！　　　　　?shí)驗(yàn)中，當(dāng)流速小于1.1m/s的流速范圍時開始觀察到管內(nèi)流動樣式從圖2(b)到圖2(c)的變化過程，作者把這種低流速范圍內(nèi)的流動樣式稱為伴有懸浮床的冰-水兩相流?！　　　　　?.2冰-水兩相流與聚苯乙烯-水兩相流的壓降比較　　圖5是冰-水兩相流

7、和聚苯乙烯-水兩相流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比的平均流速與壓降關(guān)系，(圖中的圓形符號表示了濃度為0.245的冰-水兩相流的平均流速與壓降關(guān)系的實(shí)驗(yàn)值；圖中的方形符號表示了濃度為0.25，比重為0.86，顆粒粒徑為3.21mm的聚苯乙烯-水兩相流平均流速與壓降關(guān)系的實(shí)驗(yàn)值；圖中的實(shí)線是清水的平均流速與壓力損失關(guān)系的計算值)。從兩種比重相近且呈現(xiàn)相同流動狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在流速為0.82m/s左右時，冰-水兩相流的壓降，隨著流速的減少有增大的趨勢；與此相對的聚苯乙烯-水兩相流的壓降依舊保持減少的趨勢不變。其原因是流速小于1.1m/s范圍的冰-水兩相流的流動應(yīng)為

8、伴有懸浮床流動狀態(tài)。所以管內(nèi)輸送的壓降，主要來源于懸浮層內(nèi)冰水流體流動克服冰塊之間的粘結(jié)力所產(chǎn)生的壓降。圖6是冰-水兩相流