隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源需求急劇增長(zhǎng)，在礦產(chǎn)資源開發(fā)中均可能利用管道水力輸送技術(shù)，例如水力采煤、精礦輸送、深海采礦等。固體物料管道輸送技術(shù)由于具有投資少、建設(shè)周期短、占地面積少、可連續(xù)密閉輸送、有利于保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)成為這些礦山礦物輸送的必然選擇。近年來(lái)，我國(guó)先后建設(shè)了多條長(zhǎng)距離輸送管道，如云南建設(shè)了171km大洪山鐵精礦輸送管道，太鋼公司建設(shè)了102km尖山鐵精礦管線，目前正在論證的神華至渭南的輸煤管道工程線路長(zhǎng)度更是達(dá)到了700km。可以預(yù)見，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，漿體長(zhǎng)距離管道輸送必將在我國(guó)資源開發(fā)諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。令人遺憾的是，上述我國(guó)現(xiàn)有兩條最長(zhǎng)的管線均為國(guó)外公司設(shè)計(jì)，反映我國(guó)管道水力輸送技術(shù)與國(guó)外仍有較大較大差距，因此，開展該領(lǐng)域研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。
    迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多專家就這方面問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，如管道水力輸送阻力、顆粒在管道中輸送形式（懸移、推移）等。其中Durand、Newitt等給出了一些具有普遍意義的摩阻損失計(jì)算模型，夏建新等人則就粗顆粒在垂直管道中的水力輸送特性進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，對(duì)于復(fù)雜形態(tài)管道中含粗顆粒非均勻固液兩相流動(dòng)的研究比較少，尤其是粗顆粒在復(fù)雜管道水力輸送過(guò)程中運(yùn)動(dòng)形態(tài)的變化規(guī)律目前還鮮有報(bào)道，而這一研究對(duì)于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，推進(jìn)我國(guó)管道輸送技術(shù)的快速發(fā)展和實(shí)踐工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步節(jié)能降耗具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。
    山東東方管業(yè)有限公司結(jié)合本公司實(shí)際出發(fā)，長(zhǎng)期研究管道水力輸送的復(fù)雜形式，借鑒中央民族大學(xué)、環(huán)境科學(xué)系的大力幫助。對(duì)礦漿在超高分子量聚乙烯管粗顆粒的輸送研究。
    本文以管道水力輸送理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際工程中可能遇到的管道形態(tài)以及無(wú)聊的特性，自行設(shè)計(jì)了一套模擬管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了粗顆粒在復(fù)雜空間形態(tài)管路輸送過(guò)程中運(yùn)動(dòng)形態(tài)的變化情況，并研究與速度、物料顆徑、體積濃度等重要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，為管道水力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.粗顆粒在管道中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的劃分
1.1滾動(dòng)推移狀態(tài)
    滾動(dòng)推移是粗顆粒在管道中較低流速條件下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)既符合推移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征，又有其獨(dú)特性，主要表現(xiàn)在：①粗顆粒在管道中滾動(dòng)推移的速度明顯小于水流的平均流速;②粗顆粒的滾動(dòng)推移隨著水流強(qiáng)度加大出現(xiàn)單顆粒的滾動(dòng)推移到顆粒群的滾動(dòng)推移的變化；③與懸移和滑動(dòng)推移不同，滾動(dòng)推移所對(duì)應(yīng)的平均流速的范圍明顯較小，即粗顆粒出現(xiàn)滾動(dòng)推移后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)靜止現(xiàn)象。
1.2滑動(dòng)推移狀態(tài)
    滑動(dòng)推移是粗顆粒在管道中出現(xiàn)的主要運(yùn)動(dòng)形式，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是顆粒始終與床面保持接觸，粗顆粒與床面之間以及顆粒與顆粒之間存在摩擦、碰撞，處于滑動(dòng)推移狀態(tài)的粗顆粒其支持力來(lái)自于流體的拖拽力和顆粒之間的相互作用的粒間離散力。在本研究中，粗顆粒出現(xiàn)滑動(dòng) 推移所對(duì)應(yīng)的平均流速的范圍較廣，且試驗(yàn)所涉及的粒徑和濃度在較廣的平均流速區(qū)間均會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)推移現(xiàn)象。
1.3懸移狀態(tài)
   懸移的基本特點(diǎn)是粗顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)速度與水流速度基本一致，其能量來(lái)源于紊動(dòng)動(dòng)能，二處于懸移的粗顆粒其支持力是紊動(dòng)漩渦，因此在管道垂直向上往往存在著一定的濃度梯度。在本文研究中，懸移狀態(tài)只在小粒徑、低濃度且高流速的情況下才會(huì)出現(xiàn)，因此，懸移狀態(tài)并且粗顆粒在水平管道中的主要形式。
2.試驗(yàn)系統(tǒng)和方法
為能夠處分研究粗顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別涉及了超高分子量聚乙烯管道試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由變頻調(diào)速器、旋流泵、超高分子量聚乙烯管道、穩(wěn)壓水箱等四部分組成。超高管道直徑50mm，長(zhǎng)度20m，其中包括水平管道、傾角30°上升管道、傾角45°上升管道、傾角45°下降管道和傾角60°下降管道5種形態(tài)。
粗顆粒水力管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)采用星形葉輪式給料機(jī)給料，經(jīng)固液分離濾網(wǎng)過(guò)濾后，物料直接進(jìn)入給料機(jī)料箱。采用清水泵作為流體輸送動(dòng)力，物料不需要過(guò)泵，有效的避免了物料的破碎和粉化，保證試驗(yàn)過(guò)程中粗顆粒粒徑基本不變。
在試驗(yàn)系統(tǒng)控制與測(cè)量方面，給料機(jī)和水泵均采用變頻調(diào)速器進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，確保滿足試驗(yàn)所需的流體輸送速度和顆粒濃度條件。在水平管中部安裝一段長(zhǎng)約10m的透明有機(jī)玻璃管，便于觀察顆粒運(yùn)動(dòng)運(yùn)移形式和對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高速攝影，跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。利用數(shù)字圖像計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行顆粒運(yùn)移形式、顆粒速度等分析。
試驗(yàn)的液相為清水，固相為天然石英砂，試驗(yàn)物料有0.8—1.0mm、1.0mm—2.0mm、2.0mm—3.0mm、3.0mm—4.0mm4組粒徑，每組粒徑物料進(jìn)行5%、15%、25%3種濃度試驗(yàn)。
試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)泵，再將同一組粒徑的物料按照一定濃度均勻投入加料倉(cāng)，泵轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器控制。試驗(yàn)中，利用高速攝影測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（懸移、滾動(dòng)推移和滑動(dòng)推移）顆粒在水平管道中的厚度，水流速度和物料濃度數(shù)據(jù)可以通過(guò)在管道出口取樣標(biāo)定得到。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
由山東東方管業(yè)有限公司做高濃度試驗(yàn)得知：
3.11 懸移

   懸移并不是水平管道中粗顆粒的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只有當(dāng)粒徑小于2.0mm，平均流速大于3.0m/s,粗顆粒隨著平均流速的增加，出現(xiàn)懸移的顆粒越來(lái)越多，其面積比的最大值僅62.65%。傾斜上升管道中，傾角為30°時(shí)，當(dāng)粒徑小于2.0mm,平均流速大于2.0m/s,粗顆粒隨著平均流速的增加，出現(xiàn)懸移的顆粒越來(lái)越多，其最大面積比懸移的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這一點(diǎn)與水平管道存在明顯差異。隨著平均流速增大，4組粒徑均表現(xiàn)出懸移顆粒越來(lái)越多的趨勢(shì)，其懸移運(yùn)動(dòng)顆粒面積占截面積的百分比均可達(dá)到100%。然而不同粒徑所對(duì)應(yīng)的平均流速具有一定的規(guī)律性：對(duì)于粒徑在0.8-1.0mm的較細(xì)粒徑，平均流速在2.4m/s時(shí)所有顆粒全部進(jìn)入懸移狀態(tài)，其面積比達(dá)到100%；對(duì)于粒徑大于1.0m的顆粒，平均流速達(dá)到2.8m/s時(shí)顆粒進(jìn)入懸移狀態(tài)，且于穩(wěn)定。
    可見，無(wú)論是從出現(xiàn)懸移運(yùn)動(dòng)形式的臨界流速的比較，還是從出現(xiàn)懸移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的難易程度，設(shè)水平管為傾角為0°的傾斜管，則隨著傾角的增大，粗顆粒越容易出現(xiàn)懸移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.12滑動(dòng)推移

    粗顆粒在水平管和傾斜管中滑動(dòng)推移的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨平均流速的變化分為兩種類型，其一是當(dāng)顆粒小于1.0mm的顆粒,對(duì)于水平管而言，隨著平均流速增大，出現(xiàn)滑動(dòng)推移顆粒越來(lái)越多且保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)平均流速達(dá)到2.9m/s時(shí)，隨著平均流速繼續(xù)增大，顆粒開始向懸移變化；對(duì)于傾斜管而言，滑動(dòng)推移是一種過(guò)渡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)平均流速達(dá)到2.0m/s時(shí)，顆粒迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙七\(yùn)動(dòng)；其二是粒徑大于1.0mm的顆粒，雖然粗顆粒在水平管與傾斜管中的運(yùn)動(dòng)形式相一致，但運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)卻存在著較大差異，對(duì)于水平管道而言，隨著平均流速的不斷增加，粗顆粒將保持其滑動(dòng)推移的穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)速度逐漸接近水流的平均速度；對(duì)于傾斜角為30°的傾斜管而言，隨著平均流速的不斷增加，滑動(dòng)推移運(yùn)動(dòng)顆粒表現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，此時(shí)滑動(dòng)推移層的高度受粒徑的影響較大，而傾角為45°的傾斜管則表現(xiàn)出滑動(dòng)推移顆粒越來(lái)越多，當(dāng)達(dá)到最大值后，滑動(dòng)推移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙频淖兓��?guī)律，這一規(guī)律與水平管道相一致。
    因此，滑動(dòng)推移對(duì)于水平管道而言是一種較為普通，且在交款的速度范圍內(nèi)出現(xiàn)的一種穩(wěn)定的狀態(tài)，而對(duì)于傾斜管而言滑動(dòng)推移僅僅是一種過(guò)渡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)形式，當(dāng)傾角小于30°時(shí)，由于水流的上舉力無(wú)法超過(guò)垂直于關(guān)閉的顆粒有效重力的分力，因此顆粒以滑動(dòng)推移為主要運(yùn)動(dòng)形式；當(dāng)傾角超過(guò)30°時(shí)，隨著傾角的增加，粗顆粒將由滑動(dòng)推移向懸移轉(zhuǎn)變，究其原因在于隨著傾角的增加垂直于管壁的顆粒有效重力的分力減小，在平均流速增加的情況下，水流紊力動(dòng)能逐漸增加，由于水流的上舉力超過(guò)了阻礙顆粒上升的有效重力的分力，顆粒開始出現(xiàn)懸移。